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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos

Tese

Parâmetros reológicos e resistência térmica de xantana de Xanthomonas

arboricola pv pruni: potencialização por desacetilação, reticulação e troca

iônica

Paula Michele Abentroth Klaic

Pelotas, 2016

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Parâmetros reológicos e resistência térmica de xantana de Xanthomonas

arboricola pv pruni: potencialização por desacetilação, reticulação e troca

iônica

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos da Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Doutora em Ciência e Tecnologia de Alimentos.

Orientadora: Profª. Drª. Angelita da Silveira Moreira

Co-orientadores: Profª. Drª. Claire Tondo Vendruscolo e Profª. Drª. Lígia Furlan

Pelotas, 2016

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Parâmetros reológicos e resistência térmica de xantana de Xanthomonas arboricola

pv pruni: potencialização por desacetilação, reticulação e troca iônica

Tese aprovada, como requisito parcial, para obtenção do grau de Doutora em Ciência e Tecnologia de Alimentos, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos, Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel, Universidade Federal de Pelotas.

Data da Defesa: 19/08/2016

Banca examinadora:

Profª. Drª. Angelita da Silveira Moreira (Orientadora)

Doutora em Biotecnologia pela Universidade Federal de Pelotas

Prof. Dr. Eduardo Fontes Henriques

Doutor em Ciências pela Universidade de São Paulo

Profª. Drª. Emilene Becker

Doutora em Química pela Universidade Federal de Santa Maria

Profª. Drª. Leidi Daiana Preichardt

Doutora em Ciência e Tecnologia de Alimentos pela Universidade Federal de

Pelotas

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Dedico,

À minha filha Laura, ao meu esposo Éder, e

aos meus pais Nelson e Rute, com amor.

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Agradecimentos

A Deus, que sempre esteve ao meu lado nessa caminhada.

Ao meu esposo Éder por todo amor e compreensão.

Aos meus pais Nelson e Rute e irmãos Carla e Rogério, meus maiores

incentivadores.

Aos meus sogros, Tise e João, pelo apoio.

À Universidade Federal de Pelotas e ao Departamento de Ciência e Tecnologia

Agroindustrial pela oportunidade de realizar o curso de Pós-Graduação.

À minha orientadora professora Drª. Angelita da Silveira Moreira pelos valiosos

ensinamentos e, sobretudo, pela amizade.

Às professoras Claire Tondo Vendruscolo e Lígia Furlan pela co-orientação.

Aos professores do Departamento de Ciência e Tecnologia Agroindustrial pelos

ensinamentos.

Aos membros da banca pelas contribuições dadas a este trabalho.

Aos colegas e amigos do Laboratório de Biopolímeros pelo auxílio, amizade e apoio.

Aos colegas Melissa, Adriana e Lauri pela compreensão e ajuda sempre que

precisei me ausentar do trabalho.

Aos queridos amigos Graciele Daiana Funck, Joyce Borowski, Michele de Aguiar

Vaz e Santhiago dos Santos Vaz, Ana Rita Carboni Ritter e Rafael Ritter, e à querida

“Vó” Neli Ferreira Pereira, pelas várias estadias e principalmente pela amizade.

A todos que de alguma forma colaboraram para o desenvolvimento deste trabalho.

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“Ser feliz não é ter uma vida perfeita, mas deixar de ser vítima

dos problemas e se tornar o autor da própria história”.

Abraham Lincoln

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Resumo

KLAIC, Paula Michele Abentroth. Parâmetros reológicos e resistência térmica de xantana de Xanthomonas arboricola pv pruni: potencialização por desacetilação, reticulação e troca iônica. 2016. 163f. Tese (Doutorado) – Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2016. Xantana é a denominação que recebem os heteropolissacarídeos produzidos por bactérias do gênero Xanthomonas; tem sido denominada xantana pruni as xantanas produzidas pela espécie X. arboricola pv pruni. As xantanas, em geral, são polímeros aniônicos cujas propriedades são afetadas por sua composição química, estrutura terciária e quaternária e massa molecular. Portanto, modificações químicas, qualitativas ou quantitativas, realizadas após fermentação, são uma alternativa para conferir ou modificar as propriedades do polímero. As xantanas pruni naturais foram produzidas for fermentação submersa das cepas 101 e 106 de X. arboricola pv pruni. Para avaliar a influência do pH do processo fermentativo na autodesacetilação da xantana pruni, conduziu-se os processos nos pH7 e pH9, obtendo-se um total de 4 xantanas pruni naturais. O pH alcalino reduziu o grau de acetilação das xantanas em relação às obtidas em pH neutro, sendo a autodesacetilação um processo cepa dependente, resultando em polímeros total e parcialmente desacetilados para as cepas 101 e 106, respectivamente. A autodesacetilação, parcial ou total, aumentou a viscosidade e o ponto de fusão dos polímeros. Para cepa 106 a autodesacetilação diminuiu a perda de massa ao passo que para cepa 101 aumentou, sugerindo menor estabilidade térmica. Objetivando avaliar a influência dos parâmetros reagente, tempo e temperatura no processo de desacetilação termoquímica pós-fermentativa, submeteu-se o polímero com maior teor de acetila (cepa 106 em pH7) à reação de desacetilação utilizando-se dois álcalis (NaOH e NH4OH), duas temperaturas (45 e 65ºC) e dois tempos (3 e 6h). A desacetilação foi mais efetiva utilizando-se o álcali mais forte (NaOH), para o qual os parâmetros tempo e temperatura não foram significantes. Assim, selecionou-se, para aplicação nas xantanas pruni Xp 101 pH7 e Xp 106 pH9 NaOH associado aos menores tempo e temperatura, 3h e 45ºC. A desacetilação termoquímica pós-fermentativa não aumentou a viscosidade das xantanas pruni naturais e diminuiu a estabilidade térmica. Para avaliar a influência dos parâmetros do processo de reticulação mediada por glutaraldeído nas propriedades reológicas e térmicas das xantanas pruni, o trabalho foi desenvolvido em três fases. Na primeira fase avaliou-se a influência da concentração de agente reticulante (0,05%; 0,1%; 0,5% e 1%) e

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do tempo de reação (0,5h; 1h e 2h), à temperatura fixa de 25ºC, utilizando a xantana da cepa 101 produzida em pH9 (totalmente autodesacetilada). Selecionou-se o tempo de 2h, a menor e a maior concentração de reticulante, por proporcionarem maior incremento de viscosidade e resistência térmica, respectivamente. A segunda fase foi conduzida com as demais xantanas pruni naturais e desacetiladas termoquimicamente, utilizando os parâmetros selecionados na fase anterior. Para a terceira fase, estudo da influência da temperatura (45 a 100ºC) selecionou-se a concentração de 1% de agente reticulante. O tratamento a 45ºC resultou no maior incremento da viscosidade, enquanto que o tratamento a 25ºC resultou no maior incremento da resistência térmica. A reticulação foi mais efetiva para as xantanas desacetiladas, resultando em xantanas com viscosidades e viscoelasticidades extremamente elevadas, principalmente as xantanas pruni da cepa 106. Apesar da desacetilação termoquímica pós-fermentativa não ter aumentado a viscosidade das xantanas pruni, é uma modificação química importante, uma vez que possibilitou a obtenção dos polímeros com os maiores incrementos nas propriedades reológicas e térmicas após a reticulação. Finalmente, selecionou-se as xantanas de melhor resultado na reticulação, bem como as respectivas xantanas naturais e desacetiladas e realizou-se a comparação e associação das modificações químicas de desacetilação, reticulação e troca iônica. A troca iônica (substituição dos íons naturalmente presentes por Na+) incrementou os parâmetros reológicos de todas as xantanas naturais e desacetiladas, e aumentou a resistência térmica de todas as amostras, com exceção da xantana Xp 106 pH9 natural, mas, como modificação única, foi relevante apenas para as xantanas pruni naturais. As xantanas desacetiladas reticuladas tiveram seus parâmetros reológicos diminuídos após a troca iônica. Assim, conclui-se que os parâmetros reológicos e resistência térmica das xantanas pruni naturais podem ser incrementados por modificações químicas e que associações de modificações químicas podem ou não serem relevantes a esse respeito.

Palavras Chave: xantana pruni, autodesacetilação; desacetilação termoquímica;

álcali; glutaraldeído;

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Abstract

KLAIC, Paula Michele Abentroth. Rheological parameters and thermal stability of xanthan of Xanhomonas arboricola pv pruni: potentialization by deacetylation, crosslinking and ion exchange. 2016. 163f. Tese (Doutorado) – Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas. Xanthan is the name given to the heteropolysaccharides produced by bacteria of the genus Xanthomonas; has been called xanthan pruni xanthans produced by the species X. arboricola pv pruni. Xanthans are anionic polymers whose properties are affected by its chemical composition, tertiary and quaternary structure and molecular weight. Therefore, chemical, qualitative or quantitative changes, made after fermentation, are an alternative to confer or modify the polymer properties. The natural xanthan pruni were produced by submerged fermentation of the strains 101 and 106 of X. arboricola pv pruni. To evaluate the influence of the fermentation process pH in the xanthan pruni self deacetylation, the production was carried out at pH7 and pH9, obtaining a total of 4 natural xanthan pruni.The alkaline pH decreased the degree of acetylation of xanthan, compared to those obtained at neutral pH, being self deacetylation a strain dependent process, resulting in fully and partially deacetylated polymers for strain 101 and 106, respectively. The partial or total self deacetylation increased viscosity and the melting point of the polymers. For strain 106 self deacetylation decreased mass loss whereas for strain 101 increased, suggesting lower thermal stability. To evaluate the parameters reagent, time and temperature of the thermochemical process in the degree of post-fermentation deacetylation, we submitted the polymer with higher acetyl content of the reaction using two alkali (NaOH and NH4OH) two temperatures (45 and 65ºC) and two times (3 and 6h). Deacetylation was more effective using strong alkali (NaOH), to which the time and temperature parameters were not significant. Therefore, the optimum condition selected to application in xanthans pruni Xp 101 pH7 and Xp 106 pH9 was 3h at 45°C and NaOH as deacetylation agent. The deacetylation thermochemical post-fermentation not increase the viscosity of naturals xanthan pruni and decreased their thermal stability. To evaluate the influence of the parameters of the crosslinking process mediated by glutaraldehyde, on the rheological and thermal properties of xanthans pruni strains 101 and 106, the study was conducted in three phases. The first phase assessed the influence of the cross-linker concentration (0.05%, 0.1%, 0.5% and 1%) and reaction time (0.5h, 1h and 2h), at the fixed temperature 25°C using xanthan strain 101 produced at pH 9 (self deacetylated). It was selected the

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time 2h, the lowest and the highest crosslinker concentration per provide greater increment of viscosity and thermal resistance, respectively. The second stage was conducted with all natural and thermochemically deacetylated xanthan pruni, using parameters selected in the previous phase. For the third phase, the temperature influence of the study (45 to 100 °C), we selected the concentration of 1% crosslinker. The treatment at 45°C resulted in the greatest increase in viscosity, whereas treatment at 25°C resulted in the greatest increase in thermal resistance. The crosslinking was more effective for deacetylated xanthan, resulting in xanthans with extremely high viscosity and viscoelasticity, especially for xanthans pruni strain 106. Although the post-fermentation thermochemical deacetylation not increase the viscosity of xanthan pruni, it is an important chemical modification, since it allowed the obtaining of polymers with greater increases in the rheological and thermal properties after crosslinking. Finally, we selected xanthans with best result in crosslinking, as well as their natural and deacetylated xanthan, and performed the comparison and combination of chemical modifications of deacetylation, crosslinking and ion Exchange. Ion exchange (replacement of naturally occurring ions for Na+) increased the rheological parameters of all natural and deacetylated xanthan, increased the thermal resistance of all samples with the exception of natural xanthan Xp 106 pH9, but as the single change was relevant only to the natural xanthan pruni. The crosslinked deacetylated xanthans had their rheological parameters decreased after ion exchange. Thus, it is concluded that the rheological parameters and thermal resistance of natural xanthan pruni can be increased by chemical modification and chemical modification associations may or may not be relevant in this respect.

Key words: xanthan pruni; self deacetylation; deacetylation thermochemical; alkali; glutaraldehyde;

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Lista de Figuras

Figura 1 – Unidade de repetição pentassacarídica da goma xantana adaptado de

Viebke (2004). .......................................................................................... 26

Figura 2 – Representação esquemática resumindo a conformação ordem-desordem

de xantana em solução aquosa apresentada na literatura. Adaptado de

Gulrez et al. (2012). .................................................................................. 28

Figura 3 – Esquema representativo da reação de desacetilação. ............................. 42

Figura 4 – Produção de xantana (g L-1) para as duas cepas nas duas condições de

pH. Médias (n=6) com letras diferentes são significativamente diferentes

pelo teste de Tukey ao nível de 5% de significância. ............................... 59

Figura 5 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni naturais, com e sem

autodesacetilação. .................................................................................... 69

Figura 6 – Espectros de infravermelho da xantana pruni Xp 106 pH7 natural e

xantanas modificadas por desacetilação termoquímica pós-fermentativa

com NaOH (A) e NH4OH (B). ................................................................... 71

Figura 7 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni: (A) Xp 101 e (B) Xp 106

naturais, desacetiladas termoquimicamente e controles a 45ºC. ............. 72

Figura 8 – Cromatografia de camada delgada comparativa das xantanas: Xp 101

pH7 (1); Xp 101 pH9 (2); Xp 106 pH7 (3); Xp 106 pH9 (4); Xp 101 pH7

DESA (5); Xp 106 pH7 DESA (6); Xp 106 pH9 DESA (7); Xp 101 pH7

controle 45ºC (8); Xp 101 pH9 controle 45ºC (9); Xp 106 pH7 controle

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45ºC (10); e Xp 106 pH9 controle 45ºC (11). Padrões: P1 – Manose (M) e

ácido glicurônico (AG); P2 – Ramnose (R) e glicose (G). Sistema – sílica

gel F254; eluente: clorofórmio:metanol:ácido acético:água (40:40:10:10

v/v/v/v); revelador: anisaldeído sulfúrico. .................................................. 76

Figura 9 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01 a 1000s-

1) a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) da xantana pruni Xp 106 pH7

natural e submetidas ao processo termoquímico com NaOH (A) e NH4OH

(B). ............................................................................................................ 78

Figura 10 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01 a

1000s-1) a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni: Xp

101 pH7 natural, controle e desacetilada (A); Xp 101 pH9 natural e

controle (B); Xp 106 pH7 natural, controle e desacetilada (C); Xp 106 pH9

natural, controle e desacetilada (D). ......................................................... 80

Figura 11 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC de soluções a 1% (m/v) das xantanas

Xp 101 pH7 (A), Xp 106 pH7 (B) e Xp 106 pH9 (C) naturais e

desacetiladas, na frequência de 1 a 10Hz ................................................ 83

Figura 12 - Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas pruni

naturais e desacetiladas após fermentação; na faixa de temperatura de 25

a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min. ..................................... 84

Figura 13 - Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni, naturais

e desacetiladas termoquimicamente após fermentação, e seus

respectivos percentuais de perda de massa na faixa de temperatura de 30

a 350ºC, com taxa de aquecimento de 10ºC/min. .................................... 86

Figura 14 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) da xantana Xp 101

pH9 natural e submetida à reticulação durante 2h com concentrações de

glutaraldeído de 0,05 e 1%, e respectivo controle, a 25ºC, na faixa de

temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min. ....... 97

Figura 15 - Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) da xantana Xp

101 pH9 natural e submetida à reticulação durante 2h com concentrações

de glutaraldeído de 0,05 e 1%, e respectivo controle, a 25ºC, na faixa de

temperatura de 30 – 350ºC e taxa de aquecimento de 10ºC/min. ............ 98

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Figura 16 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s-1)

a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp

106 naturais e desacetiladas na condição ótima. ................................... 100


a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni 101 pH7 (A),

101 pH9 (B), 106 pH7 (C) e 106 pH9 (D) naturais e desacetiladas

submetidas à reticulação com GLU a 0,05 e 1% durante 2h a 25ºC, e

respectivos controles. ............................................................................. 102


a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni 101 pH7 (A),

101 pH9 (B), 106 pH7 (C) e 106 pH9 (D) naturais e desacetiladas

submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em três

temperaturas. ......................................................................................... 105

Figura 19 – Viscosidade (mPas) a 25ºC e taxa de deformação de 100s-1 de soluções

aquosas a 1% (m/v) das xantanas Xp 101 pH7 e Xp 106 pH7 e pH9

desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em

diferentes temperaturas .......................................................................... 107

Figura 20 – Reação de desacetilação da xantana .................................................. 109

Figura 21 – Representação esquemática da reação de reticulação com a

participação do glutaraldeido entre cadeias de xantana com formação de

estruturas de hemiacetal e acetal. .......................................................... 109

Figura 22 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) da xantana Xp 106

pH7 natural; desacetilada; desacetilada e submetida à reticulação com

1% de GLU por 2h nas temperaturas de 25, 45, 65 e 85ºC; na faixa de

temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min ...... 110

Figura 23 - Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) da xantana Xp

106 pH7 natural; desacetilada; desacetilada e submetida à reticulação

com 1% de GLU por 2h nas temperaturas de 25, 45, 65 e 85ºC; na faixa

de temperatura de 30 – 350ºC e taxa de aquecimento de 10ºC/min. ..... 112

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a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A)

e Xp 106 pH9 (B) naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à

reticulação na condição selecionada. ..................................................... 114

Figura 25 – Curvas de viscoelasticidade a 25ºC de soluções a 1% (m/v) das

xantanas Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais; desacetiladas;

desacetiladas e submetidas à reticulação, na frequência de 1 a 10Hz. . 117

Figura 26 - Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s-1)

a 25ºC, 45ºC e 65ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni

Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas e reticuladas na

melhor condição. .................................................................................... 119

Figura 27 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC, 45ºC e 65ºC de soluções aquosas

(1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B), naturais,

desacetiladas e reticuladas na melhor condição; na frequência de 1 a

10Hz. ...................................................................................................... 120

Figura 28 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas Xp

106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B), naturais; desacetiladas; desacetiladas e

submetidas à reticulação, na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com

taxa de aquecimento de 10ºC/min. ......................................................... 121

Figura 29 – Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) das xantanas

pruni Xp 106 pH7 e Xp 106 pH9, naturais, desacetiladas; desacetiladas e

submetidas à reticulação, na faixa de temperatura de 30 – 350ºC e taxa

de aquecimento de 10ºC/min. ................................................................ 122

Figura 30 – Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni Xp 106

pH7 e pH9 naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à

reticulação e seus respectivos percentuais de perda de massa na faixa de

temperatura de 30 a 350ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min. ..... 124

Figura 31 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni: Xp 106 pH7 (A) e Xp

106 pH9 (B), naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à

reticulação; e reticulante GLU (C). ......................................................... 126

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Figura 32 - Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s-1)

a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A)

e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas reticuladas,

naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas a troca

iônica e desacetiladas reticulada submetidas a troca iônica. ................. 136

Figura 33 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das

xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas,

desacetiladas reticuladas, naturais submetidas a troca iônica,

desacetiladas submetidas a troca iônica e desacetiladas reticuladas

submetidas a troca iônica, na frequência de 1 a 10Hz. .......................... 138

Figura 34 - Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni Xp 106

pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas

reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas

a troca iônica e desacetiladas reticuladas submetidas a troca iônica com

seus respectivos percentuais de perda de massa na faixa de temperatura

de 30 a 350ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min. ......................... 141

Figura 35 - Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas pruni

Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas

reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas

a troca iônica e desacetiladas reticuladas submetidas a troca iônica, na

faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de

10ºC/min. ................................................................................................ 143

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Lista de Tabelas

Tabela 1 – Teores de nitrogênio, cinzas, umidade e carboxilas (% p/p) das xantanas

pruni Xp 101 e Xp 106 em duas condições de pH ................................... 60

Tabela 2 – Teor de acetila e piruvato (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106

em duas condições de pH. ....................................................................... 62

Tabela 3 – Teores de acetila da xantana pruni natural Xp 106 pH7, usada como

referência, e das modificadas por reação de desacetilação termoquímica

pós-fermentativa em diferentes condições. .............................................. 63

Tabela 4 – Teores de acetila da xantana Xp 101 pH9 natural autodesacetilada e

desacetiladas após fermentação em diferentes condições. ..................... 65

Tabela 5 – Teor de acetila e piruvato (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106

naturais, modificadas por reação de desacetilação termoquímica após

fermentação na condição ótima – NaOH, 45ºC e 3h – e respectivos

controles. .................................................................................................. 66

Tabela 6 – Teor de piruvato (% p/p) e grau de recuperação (%) das xantanas

controles produzidas a 25ºC e a 45ºC. ..................................................... 67

Tabela 7 – Teores de sódio, potássio, cálcio e magnésio (mg g-1) e sais

monovalentes (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais e

desacetiladas na condição ótima. ............................................................. 74

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Tabela 8 – Viscosidade (mPas) a 25ºC em diferentes taxas de deformação (s-1), de

soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 com e

sem autodesacetilação. ............................................................................ 76

Tabela 9 – Parâmetros reológicos, índice de consistência (K) e índice de fluxo (n),

para as soluções a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106

naturais, desacetiladas na condição ótima e respectivos controles. ........ 82

Tabela 10 – Parâmetros reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n)

obtidos das curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (s-

1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v) da xantana pruni Xp 101 pH9

natural e submetida à reticulação com diferentes concentrações de GLU e

três tempos de reação. ............................................................................. 95

Tabela 11 – Teor de acetila (% p/p), índice de consistência (K), índice de fluxo (n) e

coeficiente de correlação obtidos das curvas de viscosidade (mPas)

versus taxa de deformação (s-1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v)

das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais e desacetiladas na condição

ótima. ...................................................................................................... 100



1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas pruni naturais e

desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 0,05 e 1% durante 2h

a 25ºC, e respectivos controles. ............................................................. 101



1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas pruni naturais e

desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em

três temperaturas e seus respectivos controles. .................................... 104



1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas Xp 101 pH7 e

Xp 106 pH7 e pH9 desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1%

durante 2h a 75 e 100ºC......................................................................... 107

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Tabela 15 – Rendimento (%) da síntese das xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9

desacetiladas, reticuladas na condição ótima selecionada, desacetiladas e

reticuladas e controles. ........................................................................... 113

Tabela 16 – Parâmetros reológicos, índice de consistência (K) e índice de fluxo (n),


1) a 25ºC de soluções a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9

naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação na

condição selecionada. ............................................................................ 115

Tabela 17 –Teor de água (%) nos polímeros intumescidos e grau de intumescimento

(gramas de água/gramas de polímero), para as xantanas pruni Xp 106

pH7 e pH9 naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à

reticulação na condição selecionada. ..................................................... 127

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Sumário

1 Introdução ............................................................................................................. 21

1.2 Hipótese ............................................................................................................. 23

1.3 Objetivos ............................................................................................................ 23

2 Revisão de literatura ............................................................................................ 24

2.1 Xantana .............................................................................................................. 24

2.1.1 Estrutura e conformação ............................................................................... 25

2.1.2 Composição química ..................................................................................... 29

2.1.3 Propriedades e aplicações ............................................................................ 32

2.1.3.1 Propriedades reológicas ............................................................................. 34

2.1.3.2 Propriedades térmicas ................................................................................ 37

2.2 Modificações químicas ..................................................................................... 39

2.2.1 Desacetilação ................................................................................................. 41

2.2.2 Reticulação ..................................................................................................... 44

3 Autodesacetilação e desacetilação pós-fermentativa de xantana de

Xanthomonas arboricola pv pruni ......................................................................... 48

3.1 Introdução .......................................................................................................... 48

3.2 Material e métodos ............................................................................................ 50

3.2.1 Micro-organismos .......................................................................................... 50

3.2.2 Produção das xantanas com e sem autodesacetilação .............................. 50

3.2.3 Reação de desacetilação ............................................................................... 51

3.2.4 Análises físicas e químicas das xantanas naturais e modificadas ............ 53

3.2.4.1 Teores de acetila e piruvato ....................................................................... 53

3.2.4.2 Espectroscopia de infravermelho .............................................................. 55

3.2.4.3 Teores de sódio, potássio, cálcio e magnésio ......................................... 55

19

3.2.4.4 Determinação qualitativa de monossacarídeos e ácidos derivados ...... 56

3.2.4.5 Reometria ..................................................................................................... 57

3.2.4.6 Análise térmica ............................................................................................ 58

3.2.5 Análise estatística .......................................................................................... 58

3.3 Resultados e discussão .................................................................................... 58

3.3.1 Caracterização das xantanas naturais ......................................................... 58

3.3.2 Desacetilação ................................................................................................. 61

3.3.2.1 Autodesacetilação ....................................................................................... 61

3.3.2.2 Desacetilação termoquímica ...................................................................... 63

3.3.3 Caracterização das xantanas modificadas .................................................. 66

3.3.3.1 Teores de acetila e piruvato ....................................................................... 66

3.3.3.2 Espectroscopia de infravermelho .............................................................. 68

3.3.3.3 Sódio, potássio, cálcio e magnésio ........................................................... 73

3.3.3.4 Determinação qualitativa de monossacarídeos e ácidos derivados ...... 75

3.3.3.5 Reometria ..................................................................................................... 76

3.3.3.6 Análise térmica ............................................................................................ 84

3.4 Conclusões ........................................................................................................ 87

4 Modificação química de xantana pruni por reticulação parcial mediada por

glutaraldeído: efeito da desacetilação e parâmetros reacionais ........................ 88

4.1 Introdução .......................................................................................................... 88

4.2 Material e métodos ............................................................................................ 89

4.2.1 Xantanas ......................................................................................................... 89

4.2.2 Reticulação ..................................................................................................... 90

4.2.3 Rendimento da síntese das xantanas reticuladas ....................................... 91

4.2.4 Reometria ........................................................................................................ 92

4.2.5 Análise térmica ............................................................................................... 93

4.2.6 Espectroscopia de infravermelho ................................................................. 93

4.2.7 Grau de intumescimento e teor de absorção de água ................................ 93

4.2.8 Teste de dissolução ....................................................................................... 94

4.3 Resultados e discussão .................................................................................... 94

4.3.1 Influência da concentração de agente reticulante e do tempo de reação na

viscosidade e resistência térmica das xantanas reticuladas .............................. 94

4.3.2 Influência da xantana e da temperatura da reação na viscosidade e

resistência térmica das xantanas reticuladas .................................................... 103

20

4.3.2.1 Avaliação dos polímeros de melhor resultado na reticulação .............. 113

4.4 Conclusões ...................................................................................................... 130

5 Associação de modificações químicas em xantana pruni: desacetilação,

reticulação e troca iônica ..................................................................................... 131

5.1 Introdução ........................................................................................................ 131

5.2 Material e Métodos .......................................................................................... 133

5.2.1 Materiais ........................................................................................................ 133

5.2.2 Modificação química das xantanas............................................................. 133

5.2.3 Reometria ...................................................................................................... 134

5.2.4 Análise térmica ............................................................................................. 135

5.3 Resultados e Discussão ................................................................................. 135

5.4 Conclusões ...................................................................................................... 144

Conclusões Gerais ................................................................................................ 145

Referências ............................................................................................................ 147

21

1 Introdução

Cientificamente e tecnologicamente o polissacarídeo extracelular produzido

por bactérias do gênero Xanthomonas é denominado xantana (BECKER et al., 1998;

SHAMA, GAUTAM, WADHAWAN, 2014). Comercialmente, a xantana é produzida

por cepas da bactéria fitopatogênica Xanthomonas campestris pv campestris

(JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975; GALINDO, 1994; ROSS-MURPHY;

MORRIS; MORRIS, 1983). Apresenta amplas possibilidades de aplicação devido às

suas propriedades reológicas (BECKER et al., 1998), sendo utilizada como

espessante, agente suspensivo e estabilizador de emulsões (BECKER et al., 1998;

KATZBAUER, 1998; VUYST; LOO; VANDAMME, 1987). É especialmente atrativa

para a indústria farmacêutica, de alimentos e exploração de petróleo por sua

capacidade de formar soluções viscosas, pseudoplásticas e estáveis frente a

diversas condições de temperatura, pH e concentração iônica, mesmo em baixas

concentrações (MCNELLY; KANG, 1973; ROSALAM; ENGLAND, 2006). Em

alimentos, xantanas de alta viscosidade têm sido utilizadas como espessante,

gelificante e estabilizante em produtos que necessitam manter uma consistência

firme; xantanas de baixa viscosidade tem sido utilizada como estabilizante de sucos

e néctares (KATZBAUER, 1998).

As propriedades exibidas pela xantana são determinadas por sua composição

química, tipos de ligação, conformação e massa molecular (CASAS; SANTOS;

GARCÍA-OCHOA et al., 2000; CHALLEN, 1994; BORGES et al., 2008; MOREIRA et

al. 2001). Essas características podem ser diferentes entre espécies, patovares ou

cepas, além de serem provocadas por mudanças nas condições de crescimento e

parâmetros do processo fermentativo (BORGES et al., 2009a; BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; GARCÍA-OCHOA et al., 2000; MOREIRA,

2002; PAPAGIANNI et al., 2001). Além de modificações no processo, empregando

22

diferentes meios e condições operacionais e selecionando a cepa indicada, para

produção de polímeros com as qualidades desejadas, uma ferramenta para

elaboração de xantanas com propriedades diferenciadas pode ser a modificação

química pós-fermentativa, quantitativa ou qualitativa, realizada durante os processos

de recuperação ou no produto depois de elaborado (BORN; LANGENDORFF;

BOULENGUER, 2002; KLAIC, 2010).

A modificação química de polissacarídeos busca alterar controladamente

suas propriedades e conferir-lhes aplicações mais amplas. Essas modificações

podem resultar em polímeros de alta viscosidade, promover melhoras na

estabilidade e resistência térmica e aumentar a compatibilidade da xantana com

outras gomas e aditivos alimentares.

Dentre as modificações químicas possíveis podemos destacar a

desacetilação, a reticulação e a troca iônica. A desacetilação consiste na remoção

parcial ou total dos ligantes acetila, normalmente por reação termoquímica em álcali

diluído (JEANES; SLONEKER, 1961), contudo não existe um consenso sobre a

influência desses ligantes nas propriedades da xantana. Já a formação de ligações

cruzadas ou reticulação (crosslinking), vem sendo estudada em diversas gomas,

incluindo a xantana, e associações de xantana com outros polímeros (BEJENARIU

et al., 2008; BEJENARIU et al., 2009; SHALVIRI et al., 2010; TAKO; NAKAMURA,

1985). Sua contribuição na formação de uma rede de gel e no incremento da

resistência térmica em polissacarídeos está bem estabelecida (BEJENARIU et al.,

2009; GLIKO-KABIR; PENHASI; RUBENSTEIN,1999; LINDBLAD; ALBERTSSON,

2004; TAKO; NAKAMURA, 1985). A troca iônica busca alterar controladamente o

balanço iônico na molécula, facilitando ligações intra e intermoleculares,

aumentando a viscosidade dos polímeros e melhorando a estabilidade da

conformação ordenada (KLAIC et al., 2016; MOHAMMED et al., 2007).

Baseado nisso, busca-se através deste estudo avaliar os processos de

autodesacetilação e desacetilação termoquímica pós-fermentativa de xantana

sintetizada pelas cepas 101 e 106 de X. arboricola pv pruni, os parâmetros da

reação de reticulação mediada por glutaraldeído e a associação dessas

modificações com a troca iônica; objetivando-se potencializar as propriedades

reológicas da xantana pruni, principalmente elevando sua viscosidade e resistência

térmica.

23

1.2 Hipótese

A modificação química por desacetilação, reticulação e troca iônica da

xantana pruni potencializa suas propriedades reológicas e melhora sua resistência

térmica.

1.3 Objetivos

a) Avaliar a influência do pH do processo fermentativo na autodesacetilação e

a influência dos parâmetros do processo termoquímico no grau de desacetilação

pós-fermentativa.

b) Avaliar a influência dos substituintes acetila nas propriedades reológicas e

térmicas das xantanas pruni produzidas pelas cepas 101 e 106.

c) Avaliar a influência do teor de substituintes acetila e dos parâmetros do

processo de reticulação mediada por glutaraldeído (concentração de reticulante;

tempo e temperatura) nas propriedades reológicas e térmicas da xantana pruni das

cepas 101 e 106 naturais e desacetiladas após fermentação.

d) Avaliar a influência da modificação química por troca-iônica nas

propriedades reológicas e térmicas das xantanas pruni de melhor resposta na

reticulação e respectivas xantanas naturais e desacetiladas.

24

2 Revisão de literatura

2.1 Xantana

Para propósitos industriais, novos polissacarídeos vêm sendo produzidos por

bactérias. Polissacarídeos extracelulares são produzidos em larga escala pela usual

técnica de fermentação que permite um bom controle das características do

polímero, além disso, a purificação desses polissacarídeos é mais fácil do que de

outras fontes naturais (GEREMIA; RINAUDO, 2004).

O polímero extracelular produzido por bactérias do gênero Xanthomonas,

através de processo fermentativo, é comercialmente denominado xantana

(JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975). Trata-se de um polissacarídeo de alta

massa molecular e, devido à presença de ácido glicurônico e pirúvico na cadeia

lateral, é considerado um polieletrólito aniônico (RICHARDSON; ROSS MURPHY,

1987).

Nos anos 50 o departamento de agricultura dos Estados Unidos realizou um

extensivo estudo em sua coleção de culturas para produção de gomas solúveis em

água que tivessem uma possível importância comercial. Durante a pesquisa, dentre

os polissacarídeos biossintetizados, a xantana apresentou as propriedades mais

interessantes para competir com outras gomas naturais e sintéticas (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; MCNEELY; KANG, 1973). A produção em

escala piloto teve início em 1960 e sua produção industrial em 1964 (MCNEELY;

KANG, 1973; ROSALAM; ENGLAND, 2006), porém com aprovação para utilização

em alimentos no Brasil em 1965 (BRASIL, 1965) e pelo FDA (Food and Drug

Administration) apenas em 1969 (ROCKS, 1971). Apesar dos sistemáticos esforços

empreendidos nas últimas décadas na descoberta de novos polímeros microbianos,

25

a xantana, desde a sua descoberta, nos anos 50, continua sendo considerada o

biopolímero mais versátil e completo, liderando o mercado das “gomas”

(SYNDICATE, 2016).

Dentre as numerosas e distintas espécies e patovares do gênero

Xanthomonas, a xantana comercial é produzida por X. campestris pv campestris

(BECKER et al., 1998; CHALLEN, 1994; JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975;

ROCKS, 1971). Porém, extensivos estudos de produção da goma pela espécie

arboricola pv pruni, anteriormente classificada como X. campestris pv pruni, vêm

sendo realizados por pesquisadores do Núcleo de Biotecnologia do Centro de

Desenvolvimento Tecnológico da Universidade Federal de Pelotas (Pelotas/RS –

Brasil) (ANTUNES, 2000; BORGES et al., 2008; BORGES et al., 2009a; BORGES et

al., 2009b; BOROWSKI, 2011; KLAIC, 2010; MOREIRA et al. 2001; MOREIRA,

2002; PREICHARDT, 2009; RODRIGUES, 2010; VENDRUSCOLO et al., 2000),

incluindo estudos de genotoxicidade do polímero (RODRIGUES, 2010), mostrando

grande potencial de produção e comercialização.

2.1.1 Estrutura e conformação

A xantana comercial possui uma cadeia principal linear celulósica formada por

duas unidades de glicose unidas por ligações do tipo β1→4. Resíduos alternados da

cadeia principal são substituídos em C (3) com uma cadeia lateral trissacarídica,

formando uma sequência de repetidas unidades pentassacarídicas. A cadeia lateral

trissacarídica é composta por duas unidades de D-manose alternadas pelo ácido D-

glicurônico. São verificadas também, variável substituição não-estequiométrica de O-

acetato em C (6) na manose interna, e resíduos de ácido pirúvico, ligados nas

posições 4 e 6, em aproximadamente metade da D-manose terminal externa

(CADMUS et al. 1976; JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975; SLONEKER,

JEANES, 1962; MELTO; MINDT; REES; SANDERSON, 1976). Isto torna a goma

xantana um polieletrólito aniônico ramificado (VIEBKE, 2004; RICHARDSON; ROSS

MURPHY, 1987). A figura 1 representa a estrutura da unidade polimérica da

xantana.

26

Figura 1 – Unidade de repetição pentassacarídica da goma xantana adaptado de Viebke (2004).

A molécula da xantana é classificada como regular, exceto nas cadeias

laterais, que apresentam variações na quantidade e posição de substituintes, o que

confere certa irregularidade à estrutura da molécula (BORN; LANGENDORFF;

BOULENGUER, 2002). O grau de substituição de acetila e ácido pirúvico depende

das condições de fermentação e da espécie da bactéria, patovar ou cepa (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; MILAS; RINAUDO, 1984), sendo definido

como a fração do respectivo sítio substituído. Normalmente, devido a alcalinidade

dos meios de produção, os resíduos ácidos encontram-se neutralizados por

contraíons salinos, como Na+ e K+, principalmente, e Ca++ e Mg++, em menor

proporção. Por isso, costuma-se denominar o substituinte pirúvico como piruvato

(MCNEELY; KANG, 1973). Ainda, uma amostra de goma xantana com piruvato = 0,5

tem uma média de 1,5 grupos carboxílicos por unidade de repetição

pentassacarídica (MORRIS et al., 1977).

A goma xantana apresenta massa molar de aproximadamente 1MDa ou entre

4 e 12x106 g.mol-1 (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002). De acordo com

Sutherland (2001b), as propriedades físicas de qualquer exopolissacarídeo

microbiano dependem de suas estruturas primária, secundária e terciária. A

estrutura ramificada da xantana e sua conformação rígida explicam as propriedades

reológicas superiores da xantana quando comparada a outros polissacarídeos

(DESPLANQUES et al., 2014). A presença da cadeia lateral torna o polímero

solúvel, pois promove desordem conformacional (SUTHERLAND, 2001b), e a

27

estrutura terciária confere alta viscosidade às soluções do polímero (GALINDO,

1994; MORRIS, 1984).

A estrutura secundária depende das condições em que a molécula é

caracterizada (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002). A molécula

ordenada de xantana pode sofrer uma transição conformacional em aquecimento. A

transição de ordem-desordem é controlada pela temperatura (MILAS; RINAUDO,

1979; MORRIS et al., 1977; NORTON et al., 1984; VIEBKE; WILLIAMS, 2000) e é

reversível, sendo o estado original (ordenado) parcialmente recuperado pelo

resfriamento; nesse estado a xantana é denominada renaturada (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; VIEBKE; WILLIAMS, 2000). No estado

sólido a xantana adota uma conformação helicoidal simples, tendo uma simetria

quíntupla (MOORHOUSE; WALKINSHAW; ARNOTT, 1977), e em solução aquosa,

tanto na forma nativa quanto renaturada, apresenta uma estrutura secundária

ordenada de dupla hélice (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002;

CAPRON; BRIGAND; MULLER, 1997; GULREZ et al., 2012; MORRIS et al., 1977).

A hélice é estabilizada por ligações não covalentes, tais como ligações de

hidrogênio, interações eletrostáticas e efeitos estéricos (BORN; LANGENDORFF;

BOULENGUER, 2002). Segundo Gulrez et al. (2012), a conformação ordenada da

forma renaturada parece ter dupla hélice parcialmente fundida e é mais flexível que

a forma nativa perfeitamente ordenada (Figura 2).

A molécula de xantana passa para um estado de conformação desordenada

quando a solução aquosa é submetida à aquecimento acima da temperatura de

transição conformacional (Tm) (GULREZ et al.,2012; MILAS; RINAUDO, 1986;

MILAS; RINAUDO, 1979; MORRIS et al., 1977; NORTON et al., 1984). A

temperatura de transição é dependente da força iônica do meio em que a xantana foi

dissolvida (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; VIEBKE; WILLIAMS,

2000), podendo ser superior a 100ºC com o aumento da força iônica; além de ser

influenciada pelos substituintes acetila (ou acetato) e piruvato (SMITH et al., 1981;

SUTHERLAND, 2001b). Os grupos acetila tendem a estabilizar a forma ordenada,

possivelmente pela promoção de associações da cadeia lateral com a cadeia

principal através de ligações de hidrogênio; já os grupos piruvato tendem a favorecer

a forma desordenada devido à minimização das repulsões eletrostáticas (VIEBKE,

2004).

28

Figura 2 – Representação esquemática resumindo a conformação ordem-desordem de xantana em

solução aquosa apresentada na literatura. Adaptado de Gulrez et al. (2012).

Segundo Morris et al. (1977), a desordem conformacional leva a um forte

decréscimo nas propriedades reológicas da xantana, como a viscosidade. Já para

Milas e Rinaudo (1986), a viscosidade diminui quando a xantana se encontra no

estado desordenado, porém permanece semelhante a xantana ordenada nativa.

Mas há consenso entre os autores de que ocorre um incremento na viscosidade da

xantana renaturada após o resfriamento abaixo da Tm. Em estudo realizado por

Gulrez e colaboradores (2012), os pesquisadores observaram que o aquecimento da

solução de xantana (85ºC por 2h) leva a desordem da molécula que passa de dupla

hélice para cadeia simples, com diminuição da massa molar (Figura 2); e que, após

aquecimento prolongado (2h a 4h) a 120ºC, ocorre a degradação da xantana.

Diminuição no tamanho molecular e correspondente diminuição na viscosidade da

solução demonstram que a variação na massa molar é associada a mudanças na

conformação (CAPRON; BRIGAND; MULLER, 1997).

29

Segundo Lijima et al. (2007), montagens moleculares em grande escala são

formadas quando o biopolímero é dissolvido em água à temperatura ambiente,

atuando como dispersão coloidal. Por outro lado, quando o polímero é aquecido a

40ºC por 24h uma estrutura homogênea é formada devido a uma mudança estrutural

em meio aquoso. Durante o aquecimento, as montagens moleculares iniciais se

decompõem, e as cadeias moleculares começam a se reorganizar com o decorrer

do tempo e o sistema atinge a homogeneidade. Após o resfriamento de soluções

homogêneas, assim obtidas, formam-se géis firmes devido a uma estrutura de rede

(anelamento) observada nessas soluções de xantana.

Uma estrutura altamente organizada é desenvolvida em soluções de xantana

como resultado do anelamento. A temperatura de anelamento conduz a um aumento

na dimensão das zonas de junção e do módulo elástico dos géis formados após o

resfriamento das soluções (QUINN et al., 1994; YOSHIDA et al., 1998). De acordo

com Iseki et al. (2001), a mudança na viscoelasticidade durante o anelamento da

solução e resfriamento até a temperatura de gelatinização é uma função do tempo e

temperatura de anelamento. Em seu estudo observaram que o módulo de

armazenamento ou elástico (G‟) aumenta com o aumento do tempo e da

temperatura de anelamento. Resultados semelhantes foram encontrados por

Fujiwara et al. (2000) ao estudar a influência do tempo de anelamento realizando o

processo a 40ºC.

A viscosidade de um polímero está diretamente relacionada às propriedades

moleculares fundamentais (conformação molecular, massa molecular e sua

distribuição, interações intramoleculares e intermoleculares). Já as propriedades

viscoelásticas estão relacionadas à organização supramolecular (LEFEBVRE;

DOUBLIER, 2004).

2.1.2 Composição química

Os exopolissacarídeos sintetizados por micro-organismos variam muito em

sua composição. Polissacarídeos bacterianos extracelulares possuem uma ampla

gama de monossacarídeos, sendo comumente encontrados a D-glicose, D-

30

galactose e D-manose; além de conter metil hexoses ou metil pentoses, como L-

fucose e L-ramnose e ácidos derivados dos açúcares, dos quais o D-glicurônico e D-

galacturônico são os mais comuns. Entre os substituintes não carboidratos de

polissacarídeos bacterianos encontramos acetato e piruvato (SUTHERLAND, 2002).

Em função da extensa gama de micro-organismos produtores e da influência

desses na composição química da xantana, estudos relacionados ao tema vêm

sendo desenvolvidos desde sua descoberta. Tanto a espécie, patovar ou cepa do

micro-organismo utilizado quanto o meio de produção e as condições operacionais

do processo fermentativo influenciam na composição química do polímero

(CADMUS et al., 1978; GARCÍA-OCHOA et al., 2000) e, consequentemente, nas

propriedades da goma.

A composição de açúcares de várias espécies do gênero Xanthomonas foi

estudada por Orentas, Sloneker e Jeanes (1963), que verificaram a presença de

glicose, manose e ácido glicurônico na grande maioria das espécies avaliadas, com

exceção de Xanthomonas vesicatoria, que possui galactose em sua composição em

substituição à manose. A xantana produzida por X. arboricola pv pruni, conhecida

como xantana pruni, difere das xantanas comerciais, produzidas por X. campestris

pv campestris, pela presença de ramnose. Diversos estudos demonstraram que

todos os polímeros produzidos por X. arboricola pv pruni são compostos por glicose,

manose, ácido glicurônico e ramnose (BORGES 2008; KLAIC, 2010; MOREIRA et

al. 2001; RODRIGUES, 2010; VENDRUSCOLO et al., 2000).

Estudos têm mostrado que ocorrem maiores variações quantitativas do que

qualitativas com relação aos substituintes acetila e piruvato. As variações nas

quantidades destes substituintes dependem particularmente da cepa utilizada para a

produção da xantana (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; CADMUS et

al., 1976; CADMUS et al., 1978), porém também ocorrem em função das condições

de fermentação (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; BORGES et al.,

2009a; CADMUS et al., 1978; CASAS; SANTOS; GARCÍA-OCHOA, 2000;

PAPAGIANNI et al., 2001; PSOMAS; LIAKOPOULOU-KYRIAKIDES; KYRIAKIDIS,

2007; TAIT; SUTHERLAND; CLARKE-STURMAN, 1986). Xantanas produzidas por

diferentes espécies possuem piruvato em sua composição variando de 1,0 a 7,4%

(ALVES-GAUTÉRIO, 2012; GARCÍA-OCHOA et al., 2000; ORENTAS; SLONEKER;

JEANES, 1963; BORGES et al. 2009a), com teor médio de aproximadamente 3,0%

31

(MCNEELY; KANG, 1973; ROCKS, 1971). Em estudo realizado por Tait, Sutherland

e Clarke-Sturman (1986), em diferentes meios de cultura e diferentes tempos de

fermentação, foram encontrados teores de acetila variando de 1,9 a 4,5%, mas

valores de até 10,0% já foram relatados (GARCÍA-OCHOA et al. 2000). Para

xantana comercial estima-se um conteúdo médio de 4,7% de acetil (JEANES;

SLONEKER, 1961; MCNEELY; KANG, 1973; ROCKS, 1971).

Um conteúdo maior de acetil pode ser obtido quando o processo de

fermentação é conduzido em condições ácidas (pH5 e pH livre) enquanto maiores

teores de piruvato podem ser obtidos em pH neutro (ALVES-GAUTÉRIO, 2012;

BORGES et al., 2009a; KLAIC, 2010). Quando o processo fermentativo é conduzido

em condições alcalinas (pH9 ou acima) a goma xantana sofre desacetilação

(MCNEELY; KANG, 1973; BORGES et al., 2009a; KLAIC, 2010). Os substituintes

também podem ser influenciados pelos processos pós-fermentativos, como, por

exemplo, a aplicação de tratamento térmico que, em estudo realizado por Borges et

al. (2009a) resultou na degradação parcial do substituinte piruvato.

O teor de sais monovalentes estimado para amostras comerciais de xantana

é de 3,6 a 14,3%, enquanto de sais bivalentes está entre 0,085 e 0,17% (GARCÍA-

OCHOA et al., 2000). A presença de eletrólitos eleva a temperatura de transição de

ordem-desordem da molécula de xantana (CAPRON; BRIGAND; MULLER, 1997;

CLARKE-STURMAN; PEDLEY; STURLA, 1986; XIE; LECOURTIER, 1992),

tornando-a termicamente mais estável (KIERULF; SUTHERLAND, 1988; ROCKS,

1971; SUTHERLAND, 2001b; XIE; LECOURTIER, 1992). Borges et al. (2009b)

observaram que amostras de xantana que possuíam um teor de sais divalentes

superior apresentaram menor queda na viscosidade com o aumento da temperatura.

Ross-Murphy, Morris e Morris (1983) e Klaic et al. (2016) mostraram que a

viscosidade e o comportamento da xantana são substancialmente afetados pela

natureza e quantidade dos cátions associados.

32

2.1.3 Propriedades e aplicações

Uma das principais propriedades apresentadas pela goma xantana é a

capacidade de formar soluções altamente viscosas, mesmo quando utilizada em

baixas concentrações (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; GALINDO,

1994; GARCÍA-OCHOA et al., 2000; MCNEELY; KANG, 1973; ROCKS, 1971).

Devido a essa propriedade a xantana é extensivamente utilizada em indústrias

alimentares e não alimentares (BECKER et al., 1998; BURDOCK, 1997). Essa

característica proporciona grande vantagem de utilização em alimentos, pois a

concentração necessária para conferir as propriedades desejadas é pequena, não

afetando o sabor do produto final (ROSALAM; ENGLAND, 2006).

A presença da cadeia lateral e a natureza polieletrolítica da xantana fazem

com que esta seja solúvel tanto em água quente quanto em água fria (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; CHALLEN, 1994; GARCÍA-OCHOA et al.,

2000; SUTHERLAND, 2001b). Assim como a pectina, quando associada a açúcares

de rápida dissolução, tem sua própria dissolução facilitada, permitindo a sua

utilização em misturas secas para posterior aplicação em produtos como molhos,

recheios e sobremesas, devido ao fato de dissolver-se mais facilmente,

proporcionando rápido incremento da viscosidade (BORN; LANGENDORFF;

BOULENGUER, 2002; KATZBAUER, 1998).

A propriedade pseudoplástica da xantana traz benefícios para indústria de

alimentos, uma vez que a viscosidade das soluções decresce com o aumento da

taxa de cisalhamento (GARCÍA-OCHOA et al., 2000; MCNELLY; KANG, 1973),

facilitando a mistura, o bombeamento e a capacidade de escoamento em tubulações

(KATZBAUER, 1998). Segundo Challen (1994), essa propriedade também auxilia na

liberação de sabor pelos alimentos e proporciona sensação não gomosa ao

mastigar, reforçando assim as qualidades sensoriais dos alimentos.

As capacidades gelificante, de manter partículas em suspensão e estabilizar

emulsões também garantem ampla gama de aplicações à xantana (BECKER et al.,

1998; CHALLEN, 1994; KATZBAUER, 1998). Assim, é utilizada para conferir

consistência em xaropes e coberturas de chocolate; estabilizar e suspender polpas

de frutas em bebidas por um longo período (BORN; LANGENDORFF;

33

BOULENGUER, 2002; KATZBAUER, 1998); melhorar a estabilidade de alimentos

congelados através da ligação da água livre, evitando a comum sinérese

(KATZBAUER, 1998); garantir a retenção de ar e estabilizar emulsões ao prevenir a

coalescência das micelas, em produtos como sorvetes e mousses (CHALLEN,

1994); adicionar corpo em géis de frutas, além de proporcionar viscosidade a molhos

utilizados em pizza, inibindo sua absorção pela massa (PRADELLA, 2006).

A solução de xantana é estável em ampla faixa de pH, tanto ácido quanto

alcalino (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; CHALLEN, 1994;

GALINDO, 1994; MCNEELY; KANG, 1973). Segundo Challen (1994), a viscosidade

permanece praticamente inalterada na faixa de pH de 1,5 a 11, sendo as maiores

viscosidades alcançadas entre pH6 e 8. Apesar da estabilidade até pH11, acima de

pH9 o polímero sofre desacetilação (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER,

2002; MCNEELY; KANG, 1973). A estabilidade frente ao pH faz com que a xantana

possa ser aplicada em alimentos ácidos como sucos de frutas, molhos para salada

etc., além de favorecer o desenvolvimento de produtos cuja viscosidade não será

alterada por mudanças no pH em função da adição de novos ingredientes

(CHALLEN, 1994; KATZBAUER, 1998).

Além disso, é compatível com vários sais de diferentes forças iônicas e em

concentrações relativamente elevadas (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER,

2002; CHALLEN, 1994; GALINDO, 1994; MCNEELY; KANG, 1973; ROCKS, 1971;

SUTHERLAND, 2001b; XIE; LECOURTIER, 1992). Muitos alimentos possuem sal

em sua formulação, por razões de sabor ou conservação, e o benefício da

estabilidade na viscosidade para sua aplicação é evidente (CHALLEN, 1994;

ROCKS, 1971). Segundo Borges et al. (2009a), McNeely e Kang (1973), Kierulf e

Sutherland (1988), Rocks (1971) e Xie e Lecourtier (1992), a presença de sais

também aumenta a já elevada e notável estabilidade térmica das soluções de

xantana.

Dentre outras importantes aplicações da xantana pode-se destacar seu uso

na indústria petrolífera como viscosificante em fluidos de perfuração de poços de

petróleo (NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000), e também seu uso na

recuperação terciária de petróleo (VUYST; LOO E VANDAMME, 1987); isto porque,

além de possuir excelente capacidade espessante e suspensiva, é bastante

pseudoplástica, pouco tixotrópica (não sujeita à degradação por cisalhamento)

34

(NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000), tem excelente compatibilidade com sais

e é resistente a degradação por temperaturas elevadas (MCNEELY; KANG, 1973;

NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000; ROSALAM; ENGLAND, 2006). Todas

essas características são propriedades essenciais que os polímeros devem

apresentar para garantir fácil injeção, estabilizar as paredes dos poços e manter os

cascalhos em suspensão, facilitando sua remoção (THOMAS, 2004).

Também destaca-se sua aplicação na utilização em produtos farmacêuticos,

impedindo a separação de ingredientes não solúveis em emulsões e suspensões

(BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; KATZBAUER, 1998). Essa

utilização só é possível graças a não toxicidade do polímero e a compatibilidade com

inúmeras drogas (PARFITT, 1999). Também é utilizada em produtos de higiene e

cosméticos, devido a sua pseudoplasticidade, que proporciona suavidade e maciez

em géis, cremes e xampus (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002;

KATZBAUER, 1998).

2.1.3.1 Propriedades reológicas

Reologia é a ciência que estuda o fluxo (escoamento) e a deformação da

matéria (STEFFE, 1996). A base das propriedades funcionais apresentadas por

polissacarídeos é a sua capacidade de modificar extensivamente a reologia de

meios aquosos nos quais são inseridos, portanto, a caracterização reológica é

essencial para avaliar as potenciais aplicações de um polissacarídeo em sua forma

natural ou subsequentemente modificado (LEFEBVRE; DOUBLIER, 2004). Sendo

assim, têm-se um indicador da qualidade do polímero por meio da análise reológica,

ou seja, de análises de viscosidade e viscoelasticidade frente a diversos parâmetros

como concentração, tempo e temperatura (MARCOTTE; HOSHAHILI;

RAMASWAMY, 2001).

Os sistemas de xantana podem ser soluções pseudoplásticas ou, ainda,

formarem géis dependendo da concentração do polímero e das condições de meio

(BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002). Segundo Lefebvre e Doublier

(2004) a reologia nos permite investigar a estrutura dos sistemas em diferentes

35

escalas, em condições onde outros métodos físicos são impossíveis ou difíceis de

serem utilizados; sendo considerada uma técnica especialmente útil para monitorar

e investigar mudanças estruturais nos sistemas, como a gelificação.

Todos os alimentos possuem curvas de escoamento únicas e essa

informação é muito útil para um grande número de aplicações industriais (STEFFE,

1996). A pseudoplasticidade é verificada pela mudança na viscosidade aparente

quando diferentes tensões de cisalhamento são aplicadas; quanto maior a taxa de

cisalhamento menor a viscosidade, sendo este um processo reversível (CHALLEN,

1994; GARCÍA-OCHOA et al. 2000; KATZBAUER, 1998; MCNEELY; KANG, 1973;

STEFFE, 1996). O comportamento pseudoplástico das soluções de xantana pode

ser explicado com base na sua massa molecular elevada e nas interações

intramoleculares, formando agregados complexos por meio de ligações de

hidrogênio e entrelaçamento do polímero. A alta viscosidade em baixa taxa de

cisalhamento é atribuída a esses agregados (JEANES; PITTSLEY; SENTI, 1961).

Do ponto de vista da engenharia, a curva de fluxo constante é o meio mais

valioso para caracterizar o comportamento reológico de fluidos, entretanto, muitos

fenômenos não podem ser descritos em função apenas da viscosidade, e o

comportamento elástico deve ser levado em consideração (STEFFE, 1996). Géis

fracos de biopolímeros são frequentemente utilizados em alimentos. Medidas

reológicas dinâmicas, realizadas em baixa tensão no domínio linear são úteis para

caracterizar as propriedades de rede, por exemplo, gelificação, envelhecimento e

recuperação mecânica após o cisalhamento (MICHONA et al., 2004).

Soluções diluídas, concentradas e géis apresentam comportamentos

distintos. Em soluções diluídas, G” (módulo de perda ou viscoso) é maior que G‟

(módulo de armazenamento ou elástico); já para soluções concentradas ocorre

interceptação de G‟‟ e G‟ no decorrer da faixa de frequência, demostrando

claramente a tendência de comportamento semelhante a sólido a altas frequências;

e, G‟ é significativamente maior que G” em toda a faixa de frequência para gel

(STEFFE, 1996). Segundo Lefebvre e Doublier (2004), as propriedades

viscoelásticas estão relacionadas à organização supramolecular.

A determinação do comportamento reológico da xantana pode ser feita

utilizando-se viscosímetros, através da aplicação de uma taxa de cisalhamento e

medição do estresse de deformação ou viscosidade; tratam-se de equipamentos

36

mais simples. Podem ainda ser utilizados reômetros, equipamentos mais

sofisticados, com taxa de cisalhamento e estresse de deformação controlados para

medir a viscosidade e a viscoelasticidade dinâmica ou fluxo (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002).

As propriedades reológicas da xantana são influenciadas pelo meio de

produção, condições operacionais e micro-organismo (BORGES et al., 2008;

BORGES et al., 2009a; CASAS; SANTOS; GARCÍA-OCHOA, 2000; MOREIRA,

2002; TAIT; SUTHERLAND; CLARKE-STURMAN, 1986; VENDRUSCOLO et al,

2000), bem como pela composição química (CADMUS et al., 1978; BORGES et al.,

2008; CASAS; SANTOS; GARCÍA-OCHOA, 2000; MOREIRA, 2002). Segundo

García-Ochoa et al. (2000), a temperatura de dissolução e a temperatura de leitura

também exercem influência na viscosidade das soluções de xantana. Utilizando-se

aquecimento (60ºC) para solubilização das amostras de xantana, durante o preparo

das soluções, maiores viscosidades podem ser alcançadas (DIAZ, 2002).

2.1.3.1.1 Influência dos substituintes acetila e piruvato nas propriedades

reológicas

Não existe um consenso na literatura sobre a influência exercida pelos

substituintes acetila e piruvato no comportamento reológico da xantana. O conteúdo

de piruvato pode influenciar a viscosidade de soluções diluídas de xantana

(CADMUS et al., 1978), sendo considerado um indicador das propriedades da goma;

o aumento do teor de piruvato aumentaria correspondentemente a viscosidade da

xantana (SANDFORD et al.,1977). Em estudo realizado por Sandford et al. (1977),

amostras de xantana com alto teor de piruvato (>4%) tiveram viscosidade

significantemente maior, comparadas a xantanas com baixo conteúdo de piruvato

(2,5-3%). De acordo com Flores Candia e Deckwer (1999), o aumento na

viscosidade pode ser explicado pelo aumento no grau de auto-associação de

moléculas de xantana com maior teor de piruvato (>3%). Essas associações são

promovidas por interações apolares entre os grupos metílicos dos substituintes

pirúvicos; os substituintes acéticos também contém grupos metílicos, porém estão

37

localizados mais próximos ao centro da hélice e são menos propensos a estarem

disponíveis para interações intermoleculares (FLORES; CANDIA; DECKWER, 1999).

Também Smith e Pace (1982) e Taylor e Nasr-El-Din (1993) preconizam que maior

conteúdo de piruvato exerce efeito positivo sobre os parâmetros reológicos da

xantana. Em estudos realizados por Erten e colaboradores (2014) e Borges, Bastos

e Vendruscolo (2007), não foi observada correlação entre o teor de piruvato do

polímero e sua viscosidade. Resultados semelhantes foram encontrados por Borges

et al. (2009a), Bradshaw et al (1983), Pinto, Furlan e Vendruscolo (2011) e

Torrestiana, Fucikovsky e Galindo (1990).

Segundo Sloneker e Jeanes (1962) e Smith e Pace (1982), a remoção dos

grupos acetato da manose interna da cadeia lateral da molécula de xantana causa

mudanças nas propriedades reológicas da xantana, melhorando a viscosidade de

soluções em água destilada ou adicionadas de sais. Estudo realizado por Pinto,

Furlan e Vendruscolo (2011) corrobora com esses autores. Por outro lado, Santos,

Casas e García-Ochoa (2000), relacionaram alta viscosidade com alto teor de

acetato. Para alguns autores (BRADSHAW et al., 1983; CALLET; MILAS; RINAUDO,

1987; MCNEELY; KANG, 1973; SUTHERLAND, 1994) o teor de acetila tem pouco

ou nenhum efeito na viscosidade das soluções.

Em estudo utilizando xantanas preparadas com vários teores de acetila e de

piruvato a partir de uma mesma amostra, Bradshaw e colaboradores (1983)

observaram que a desacetilação tem pequeno efeito na viscosidade das soluções de

xantana. Isto porque, de acordo com Rinaudo (2004), a reologia de soluções

aquosas de polissacarídeos, como a xantana, é controlada pela conformação

(conformação helicoidal) cuja estabilidade não é largamente influenciada pelos

substituintes não carboidratos, como acetila e piruvato.

2.1.3.2 Propriedades térmicas

A análise térmica é o estudo da relação entre uma propriedade da amostra e

a temperatura quando a amostra é aquecida ou resfriada, de forma controlada

(BROWN; GALLAGHER, 2008). Através da técnica de Calorimetria Exploratória

38

Diferencial (DSC) monitora-se a diferença de fluxo de calor (ou de alimentação) para

a amostra e para o material de referência em função do tempo, enquanto as

amostras são expostas a um programa de variação de temperatura, ou seja, mede a

diferença de energia necessária para manter ambos (amostra e referência) à mesma

temperatura enquanto são aquecidas. Já para na técnica de Análise Térmica

Diferencial (DTA), mede-se a diferença entre a temperatura da amostra e de um

material referência, normalmente o próprio material da cápsula utilizada, em função

do tempo ou da temperatura, enquanto ambos são submetidos a uma programação

controlada de temperatura (BILLMEYER, 1984; HAINES; READING; WILBURN,

2008).

Transições térmicas que ocorrem em um polímero, em função de alterações

morfológicas ou químicas, podem ser medidas de forma rápida através da análise

térmica (ASTM, 2013). As reações químicas que causam ou que afetam certas

transições têm sido medidas com o auxílio da técnica de DSC (ASTM, 2013), que

fornece informações úteis sobre possíveis interações do polímero com produtos das

formulações onde é utilizado, e da natureza cristalina ou amorfa da amostra

(RAMASAMY et al., 2011). Um ponto de fusão extra ou inesperado, observado

através de uma varredura térmica de DSC, pode indicar a presença de um segundo

material, misturado intencionalmente ou oriundo de contaminação da amostra

(ASTM, 2013). Através de DSC determina-se comumente a temperatura de transição

vítrea (Tg) e a temperatura de fusão (Tm) e pela técnica de TGA (análise

termogravimétrica), avalia-se a degradação por perda de massa em função da

temperatura; nessa técnica a amostra é submetida a uma variação constante de

temperatura enquanto monitora-se a variação de massa (BILLMEYER, 1984; HORN,

2008). Segundo Zohuriaan e Shokrolahi (2004) a análise termogravimétrica é um

método simples e preciso para estudar a estabilidade térmica de polímeros, bem

como seu padrão de decomposição.

Segundo Brown e Gallagher (2008), a grande dificuldade das técnicas de

análise térmica convencionais, como TGA e DSC, é que elas medem a resposta de

toda a amostra. Quando se observa uma grande alteração no comportamento

durante o aquecimento de uma amostra, esta pode ser o resultado de um efeito

genuíno num sistema homogêneo ou ser devido a uma série de respostas que se

sobrepõem a partir de um sistema heterogêneo.

39

Essas técnicas podem fornecer dados sobre a capacidade de calor,

condutividade térmica, difusividade e emissividade, calores de transição, reação ou

misturas, bem como a cinética e os mecanismos de reação. No entanto, esta

coleção muito ampla de eventos térmicos pode, por vezes, ocorrer em conjunto, de

modo que não temos certeza se o pico é devido a reação, transição, mudanças nas

características térmicas ou no comportamento instrumental. Muitas fases

sobrepostas podem ser resolvidas e interpretadas ao combinar o DTA ou DSC com

uma técnica complementar, como TG. Mas a ocorrência simultânea de dois eventos

térmicos, tais como uma alteração da capacidade de calor e uma reação, pode ser

difícil de separar analiticamente (HAINES; READING; WILBURN, 2008).

Ramasamy et al. (2011) verificaram a temperatura de fusão de xantana

comercial na faixa de 90 a 120ºC com um pico endotérmico observado a 108,9ºC. O

mesmo valor foi encontrado para xantana comercial por Ahuja, Kumar e Singh

(2012). Segundo Horn (2008), que produziu xantana em diferentes condições, a

degradação da xantana inicia-se em torno de 150ºC e termina em 400ºC. Em estudo

realizado por Faria et al. (2011), os autores observaram que a maior perda de massa

ocorreu no segundo estágio de degradação, entre 220 e 320ºC, com mais de 40%

de perda. Para esses pesquisadores vários fatores contribuem, separados ou

simultaneamente, afetando as curvas de TGA/DTA. Nas fases de temperaturas mais

altas geralmente estão envolvidas a desidratação, a despolimerização e a

decomposição pirolítica. A diferença de estrutura e de grupos funcionais entre

diversos polissacarídeos fazem com que estes tenham diferentes vias de

degradação e/ou diferentes fragmentos resultantes. A goma xantana possui grupos

carboxilatos ou ácidos carboxílicos, assim, a cisão térmica desses grupos e a

evolução do CO2 dos carboidratos da cadeia principal pode ser o mecanismo

provável para a decomposição térmica que ocorre no polímero (ZOHURIAAN;

SHOKROLAHI, 2004).

40

2.2 Modificações químicas

A obtenção de polímeros com qualidades específicas e desejadas pode ser

realizada por modificações nos parâmetros do processo, tais como o emprego de

diferentes meios de produção, alterações das condições operacionais e seleção da

cepa indicada. Uma outra perspectiva é a modificação química, que tem sido

bastante aplicada à xantana (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002;

ERTEN et al., 2014; KLAIC et al., 2011; PINTO; FURLAN; VENDRUSCOLO, 2011).

Um problema importante relacionado à produção de xantana é a variação de

massa molecular que ocorre no polissacarídeo, bem como a variação no grau de

piruvatação e acetilação, como resultado da instabilidade das linhagens de

Xanthomonas utilizadas para produção (PRADELLA, 2006). Dessa forma, o controle

do grau de piruvatação e de acetilação na xantana por métodos químicos parece ser

mais eficiente do que por métodos biotecnológicos (BRADSHAW et al., 1983).

Sendo assim, podemos destacar a desacetilação como método de modificação

química passível de ser aplicada na molécula de xantana, na qual, os ligantes acetila

são quantitativamente removidos da cadeia lateral com base diluída (JEANES;

SLONEKER; 1961). Além da desacetilação, a despiruvatação também é viável

(CALLET; MILAS; RINAUDO, 1987) e pode ser realizada por meio de tratamento

com ácido trifluoroacético (PAZUR; MISKIEL; MARCHETTI, 1995; ROSS-MURPHY

et al., 1996) ou ácido oxálico (CALLET; MILAS; RINAUDO, 1987) em temperaturas

elevadas, reduzindo a massa molar da xantana.

Dentre as potenciais modificações químicas podemos citar ainda a redução

dos resíduos de ácido urônico (grupos carboxil), com carbodiimida e borohidreto de

sódio (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; PAZUR; MISKIEL;

MARCHETTI, 1995); oxidação com meta periodato de sódio, caracterizada pela

clivagem específica das ligações C2–C3 dos resíduos, resultando na formação de

grupos aldeídos (GUO et al., 2014); e carboximetilação com ácido monocloroacético

em condições alcalinas (AHUJA; KUMAR; SINGH, 2012).

Outra modificação química passível de aplicação em xantana é a troca

iônica, com a qual se modifica o balanço iônico na molécula. A remoção total ou

parcial dos cátions é realizada utilizando-se resinas denominadas fortemente ácidas

41

ou trocadoras de cátions, e tem sido empregada por diversos autores (KLAIC, 2010;

MOHAMMED et al., 2007; ROSS-MURPHY; MORRIS; MORRIS, 1983) que estudam

a influência desses componentes no comportamento reológico de xantana. Segundo

Klaic (2010), trata-se de um método de modificação química pós-fermentativo muito

simples e de grande efeito, resultando em xantanas com propriedades reológicas e

possibilidades de aplicação diferenciadas.

Já a reticulação é aplicada tradicionalmente a polissacarídeos para alterar

suas propriedades de intumescimento e preparar hidrogéis (LINDBLAD;

ALBERTSSON, 2004). Vários métodos têm sido reportandos para diferentes

polissacarídeos, incluindo xantana, utilizando-se diferentes agentes de reticulação e

diferentes parâmetros para o processo (BEJENARIU et al., 2008; BEJENARIU et al.,

2009; BUENO et al., 2013; MCNEELY; KANG, 1973; SMITH; PACE, 1982).

2.2.1 Desacetilação

A eficiência do processo de desacetilação e sua influência nas propriedades

da xantana vem sendo extensivamente estudadas (ERTEN et al., 2014; JEANES;

SLONEKER, 1961; KHOURYIEH et al., 2007; LOPES et al., 1992; MCNEELY;

KANG, 1973; PAZUR; MISKIEL; MARCHETTI, 1995; PINTO; FURLAN;

VENDRUSCOLO, 2011; ROSS-MURPHY et al., 1996; SHATWELL; SUTHERLAND,

1991; SLONEKER; JEANES, 1962; TAKO; NAKAMURA, 1985; TAKO; NAKAMURA,

1986). A modificação química que permite a remoção dos substituintes acetila da

xantana pela aplicação de base (Figura 3) foi objeto de patente em 1961, onde

Jeanes e Sloneker relatam o processo para obtenção de uma nova substância

desacetilada derivada do polissacarídeo microbiano nativo produzido por

fermentação aeróbica pela bactéria Xanthomonas campestris NRRL B-1459. O

processo foi conduzido com concentração de 0,5% de polímero, 1% de KCl e

0,05mol L-1 de KOH a 25ºC por 2h, com introdução contínua de gás nitrogênio para

excluir o oxigênio; o processo reduziu o teor de acetila de 4,7 para 0,3% (93,6% de

remoção). A referida patente também tem como objeto um método para incrementar

42

a viscosidade da solução de xantana modificada pela adição de sal inorgânico

(JEANES; SLONEKER, 1961).

Figura 3 – Esquema representativo da reação de desacetilação. Fonte: Unidade de repetição adaptada e modificada de Viebke (2004). Esquema da reação: o autor.

Vários métodos vêm sendo reportados na literatura para desacetilação de

xantana. Dentre as bases utilizadas pode-se citar o NaOH (CALLET; MILLAS;

RINAUDO,1987; COVIELLO et al., 1986; GOYCOOLEA; MILAS; RINAUDO, 2001;

LOPES et al., 1992; PINTO; FURLAN; VENDRUSCOLO, 2011), e o KOH

(BRADSHAW et al., 1983; JEANES; SLONEKER, 1961; KHOURYIEH et al., 2007;

TAKO; NAKAMURA, 1986) como os mais frequentes. A utilização de base fraca,

como NH4OH, também tem sido reportada (PINTO, 2005). Além do tipo de base

utilizada, sua concentração também é variada nos estudos que empregam essa

modificação química à xantana. Também podemos observar variações quanto ao

tempo e a temperatura empregados. Pinto, Furlan e Vendruscolo (2011) avaliaram o

grau de desacetilação de uma xantana comercial ao utilizar duas bases (NaOH e

KOH) em três concentrações (0,0025, 0,005 e 0,01mol L-1) e observaram que esse

parâmetro influencia o grau de desacetilação. Callet, Millas e Rinaudo (1987) e

Lopes et al. (1992) utilizaram NaOH a 0,06mol L-1, realizando a reação sob agitação

por 24h a 5ºC; Bradshaw et al. (1983) utilizaram soluções de KOH com

concentrações variando de 0,005 a 0,025mol L-1 e Khouryieh et al. (2007) de

0,025mol L-1, ambos procedendo as reações em temperatura ambiente por 3 e 2,5h,

43

respectivamente. Quanto ao grau de desacetilação, a remoção dos substituintes

acetila nos estudos citados varia de 67,5% a 100% (CALLET; MILLAS;

RINAUDO,1987; PINTO; FURLAN; VENDRUSCOLO, 2011).

Pinto, Furlan e Vendruscolo (2011) observaram, porém, que a concentração

do polímero na solução utilizada na reação de desacetilação não influencia na

viscosidade da xantana resultante, ou na remoção dos substituintes, apresentando

resultados semelhantes para as duas concentrações de xantana em estudo (0,5 e

1%). Os métodos apresentados na literatura para desacetilação empregam

concentrações de polímero de 0,1% (CALLET; MILLAS; RINAUDO,1987; LOPES et

al., 1992), 0,2% (KHOURYIEH et al., 2007), 0,5% (BRADSHAW et al., 1983;

JEANES; SLONEKER, 1961) e 1% (PINTO; FURLAN; VENDRUSCOLO, 2011).

Além da desacetilação pós-fermentativa, a desacetilação também pode

ocorrer durante o processo fermentativo, quando este é conduzido em pH9 ou acima

deste (BORGES et al., 2009a; BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002;

KLAIC, 2010; MCNEELY; KANG, 1973), sendo, nesse caso, a retirada dos grupos

acetila, denominada de “autodesacetilação”.

Apesar de existir controvérsias na literatura sobre a influência da

desacetilação sobre as propriedades reológicas da xantana, essa modificação

química pode ser considerada importante para facilitar outras modificações

posteriores ou resultar em xantanas compatíveis com outras gomas. Está bem

estabelecido na literatura que a desacetilação aumenta a força de interação da

xantana com outras gomas (FITZPATRICK et al., 2013; GOYCOOLEA; MILAS;

RINAUDO, 2001; KHOURYIEH et al., 2007; LOPES et al., 1992; RENOU et al.,

2013; RINAUDO, 2004; SHATWELL; SUTHERLAND, 1991; SUTHERLAND, 1994;

TAKO; NAKAMURA, 1985; TAKO; NAKAMURA, 1986). De acordo com Sutherland

(1994), xantana com ou sem acetilação apresenta diferenças marcantes na

gelificação sinergística com mananas. Para Rinaudo (2004), a interação entre

galactomanana e xantana depende da presença dos substituintes acetila na

xantana, porém, depende também da conformação da xantana. Segundo Renou et

al. (2013), o impacto do conteúdo de acetila nas interações da xantana com outras

gomas está mais relacionado a sua influência na estabilidade da xantana, uma vez

que os grupos acetila tendem a estabilizar a forma ordenada, possivelmente pela

promoção de associações da cadeia lateral com a cadeia principal através de

44

ligações de hidrogênio (VIEBKE, 2004); ou seja, a redução do teor de acetila reduz a

estabilidade da hélice e, assim, um maior número de segmentos desordenados se

tornam disponíveis para interagirem (RENOU et al., 2013). Estudos realizados por

Khouryieh et al. (2007) corroboram com essa proposta. Os autores verificaram que

misturas de xantana nativa com goma guar apresentaram comportamento

“semelhante a líquido” (predominância do módulo viscoso), enquanto que misturas

com xantana desacetilada tiveram comportamento semelhante a gel (predominância

do módulo elástico). Tanto a viscosidade quanto a viscoelasticidade das misturas

com xantana desacetilada foram mais elevadas do que com xantana nativa. Os

autores também atribuíram o aumento da interação sinergística à desacetilação, por

sua contribuição a desestabilização da estrutura helicoidal e consequente

desordenação da molécula de xantana.

2.2.2 Reticulação

A reticulação de polímeros é um processo que ocorre quando cadeias

poliméricas lineares ou ramificadas são interligadas. Esse processo também é

conhecido como crosslinking ou ligação cruzada, ou seja, ligações entre moléculas

lineares produzindo polímeros tridimensionais com alta massa molar (BEJENARIU et

al., 2009). A presença de uma pluralidade de grupos funcionais, tais como OH,

COOH, ou NH2, explica a usual solubilidade em água dos polissacarídeos; e, por

reticulação, estes grupos podem ser usados para a obtenção de redes

macromoleculares estáveis (BEJENARIU et al., 2009). Quando em solução a

xantana tem a capacidade de formar tanto géis físicos, quanto químicos; porém, os

géis físicos podem facilmente serem solubilizados e sua aplicação não é prática

(STOKKE; CHRISTENSEN; SMIDSROD, 1998). Dessa forma, para se obter um

substrato macromolecular que mantenha suas dimensões físicas, a xantana deve

ser quimicamente reticulada (cross-linked) (BEJENARIU et al., 2009).

A reticulação causa alterações físico-químicas nos polímeros, resultando em

modificações de suas propriedades. Diversos estudos relacionam alto grau de

reticulação com a diminuição do grau de intumescimento em polissacarídeos

45

(BEPPU et al., 2007; BUENO et al., 2013; CURY et al., 2009; ENKE et al., 2014;

MATOS, 2008; VIKHOREVA; SHABLYUKOVA; KILL‟DEEVA, 2001), entretanto, as

pesquisas também mostram aumento pronunciado na capacidade de

intumescimento após a reticulação, quando esta ocorre em níveis intermediários

(BEJENARIU et al., 2009; CURY et al., 2009; ENKE et al., 2014; MATOS, 2008).

Alguns estudos também apontam alterações na estabilidade térmica (GLIKO-KABIR;

PENHASI; RUBENSTEIN, 1999; LINDBLAND; ALBERTSSON, 2004) e na

capacidade de dissolução (BILLMEYER, 1984). Com o objetivo de produzirem-se

xantanas modificadas por reticulação, diferentes agentes têm sido utilizados. Smith e

Pace (1982) relatam reticulação de xantana com formaldeído, resultando em uma

mistura complexa estável com viscosidade melhorada. Quando em condições

alcalinas, a xantana também faz reticulação com íons trivalentes, tais como íons

cromo (MCNEELY; KANG, 1973). A utilização de ácido adípico e di-hidrazida

(BEJENARIU et al., 2008), de trimetafosfato de sódio cíclico (STMP) (BEJENARIU et

al., 2009), glutaraldeído (TAKO; NAKAMURA, 1985) e ácido cítrico (BUENO et al.,

2013) também tem sido reportada.

Bejenariu et al. (2009) utilizaram trimetafosfato de sódio cíclico (STMP), como

agente de reticulação, em condições altamente alcalinas (pH13) pela adição de

NaOH, e duas concentrações de xantana (10 e 25g L-1). As soluções foram

aquecidas acima de 90ºC e, depois de 1h, foi realizada a adição de STMP; a mistura

permaneceu em agitação por 24h. A razão molar de STMP:xantana foi de 1:1; 5:1;

10:1; 15:1 e 20:1. O objetivo desse estudo foi avaliar o comportamento do polímero

reticulado para determinar a possibilidade de utilização em sistemas de distribuição

de drogas. De acordo com a pesquisa, após a efetivação da reticulação dois

parâmetros físicos (grau de reticulação e carga do fosfato) estavam manifestando

ações antagônicas, resultando no enrijecimento ou rompimento do conjunto

macromolecular tridimensional. Os autores concluíram que o maior grau de

intumescimento foi obtido usando razões de STMP:xantana intermediárias, condição

em que os efeitos opostos das duas forças atuantes estavam balanceados; para os

autores, as medidas de intumescimento são um bom método para a caracterização

física das redes de polissacarídeos reticulados.

A reticulação também tem sido objeto de estudos relacionando à mistura de

xantana com outras gomas. Shalviri et al. (2010) desenvolveram um novo sistema

46

hidrogel reticulado de amido e goma xantana utilizando diferentes concentrações de

xantana e trimetafosfato de sódio, com a intenção de evitar a separação de fases

que frequentemente ocorre. Tako e Nakamura (1985) estudaram interações entre

xantana e goma guar e observaram uma interação muito mais forte utilizando-se

xantana desacetilada do que xantana nativa. Os autores promoveram uma

desacetilação prévia na xantana e, após, a reticulação com goma guar mediada por

glutaraldeído, um reagente bifuncional, que causa a interligação entre cadeias

poliméricas, tornando o material altamente resistente à temperatura.

O agente reticulante glutaraldeído (GLU), ou 1,5-pentanodial, apresenta a

fórmula molecular OHC-(CH2)3-CHO, com massa molar de 100,11g mol-1 e tem sido

extensivamente utilizado para reticulação em polissacarídeos (BEPPU et al., 2007;

GENTA et al., 1998; LINDBLAD; ALBERTSSON, 2004; POON; WILSON; HEADLEY,

2014; PRATT; WILSON; KOZINSKI, 2013; SANDOLO et al., 2009; TAHTAT et al.,

2013; VIKHOREVA; SHABLYUKOVA; KILL‟DEEVA, 2001; ZHOU et al., 2014).

Forma uma solução límpida incolor a amarelo pálido, viscosa e pungente, que é

solúvel em todas as proporções de água e álcool, bem como em solventes

orgânicos. Seu sucesso se deve à sua disponibilidade comercial, baixo custo e alta

reatividade (MIGNEAULT et al., 2004).

Sandolo et al. (2009) estudaram a formação de ligações cruzadas em goma

guar utilizando glutaraldeído como agente de reticulação, verificando a dependência

da temperatura de preparo da amostra e quantidade desse agente de reação no

nível de ligações cruzadas obtidas. Controlando as condições experimentais para a

gelificação de goma guar induzida por moléculas de glutaraldeído, obtiveram um

material interessante por sua versatilidade, pois permite a preparação de diferentes

tipos de hidrogéis, com um número diferente de ligações cruzadas, e,

consequentemente, com um tamanho de poros diferentes. Para Gliko-Kabir, Penhasi

e Rubenstein (1999), a reticulação da goma guar leva à introdução de novas

ligações covalentes. O glutaraldeído substitui parte dos grupos hidroxila e provoca

uma alteração na estrutura do polímero. Estas alterações físico-químicas são

refletidas no comportamento térmico da goma reticulada. Segundo os autores, a

quantidade de glutaraldeído utilizada influenciou a estabilidade térmica da goma

guar reticulada; eles observaram em seu estudo que um excesso de reticulante

reduz a estabilidade térmica do produto. A reação da goma com o glutaraldeído

47

ocorreu tanto por inter quanto por intrarreticulação, dependendo da quantidade de

reticulante utilizada, e a mudança na estrutura, embora não comprovada

experimentalmente por métodos espectrométricos, foi subentendida por meio da

mudança na estabilidade térmica e na capacidade de se ligar à água (GLIKO-

KABIR; PENHASI; RUBENSTEIN, 1999; LINDBLAND; ALBERTSSON, 2004).

Zhou et al. (2014) estudaram a capacidade de adsorção de corantes

alimentares, cuja presença preocupa por permanecerem nos efluentes das

indústrias e, em concentrações elevadas, possuirem potencial tóxico. Os corantes

em solução aquosa foram adsorvidos por nanopartículas magnéticas de quitosana

reticulada por glutaraldeído. Os autores observaram que, além de excelente

desempenho de adsorção, o agente reticulante glutaraldeído também mostrou baixa

citotoxicidade em concentrações de até 0,5mol L-1 (5%), sendo considerado não

carcinogênico, nas concentrações utilizadas, quando comparado a outros

reticulantes.

Outra aplicação do reticulante glutaraldeído relatado na literatura é na

reticulação de alginato e quitosana, cujo produto pode ser considerado um potencial

meio para administração oral de insulina (TAHTAT et al., 2013), o que demonstra

que sua utilização não compromete a segurança do produto final.

48

3 Autodesacetilação e desacetilação pós-fermentativa de xantana de

Xanthomonas arboricola pv pruni

3.1 Introdução

Atualmente, muitos novos polissacarídeos vêm sendo produzidos em

pequena escala por micro-organismos para propósitos industriais. Alguns

polissacarídeos extracelulares são produzidos em larga escala pela técnica usual de

fermentação, que permite um bom controle das características do polímero

(GEREMIA; RINAUDO, 2004). A xantana está entre o pequeno número de

biopolímeros microbianos produzidos em grande escala (LUVIELMO; SCAMPARINI,

2009), sendo considerado o polissacarídeo bacteriano mais importante

comercialmente (MORRIS; HARDING, 2009).

As xantanas comerciais são produzidas pela bactéria fitopatogênica

Xanthomonas campestris pv campestris (BECKER et al., 1998; CHALLEN, 1994;

JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975; ROCKS, 1971); entretanto, alguns autores

(ANTUNES, 2000; BORGES et al., 2008; BORGES et al., 2009a; BOROWSKI, 2011;

KLAIC, 2010; MOREIRA et al. 2001; MOREIRA, 2002; PREICHARDT, 2009;

RODRIGUES, 2010; VENDRUSCOLO et al., 2000) têm estudado a produção de

xantana pela espécie X. arboricola pv pruni, anteriormente classificada como X.

campestris pv pruni, mostrando seu grande potencial de produção e

comercialização.

Os exopolissacarídeos sintetizados por micro-organismos variam muito em

sua composição e, consequentemente, nas suas propriedades químicas e físicas.

Polissacarídeos bacterianos extracelulares possuem uma ampla gama de

49

monossacarídeos, também contêm hexoses metiladas ou metil pentoses e ácidos

derivados, dos quais o D-glucurônico e D-galacturônico são os mais comuns. Entre

os substituintes não carboidratos destacam-se o acetato e piruvato (SUTHERLAND,

2002). A molécula da xantana é classificada como regular, exceto nas cadeias

laterais, que apresentam variações na quantidade e posição de substituintes acetato

e piruvato, o que confere certa irregularidade à estrutura da molécula (BORN;

LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002). O grau de substituição depende das

condições de fermentação e da espécie da bactéria, patovar ou cepa (BORGES et

al., 2009a; BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; CASAS; SANTOS;

GARCÍA-OCHOA, 2000; MILAS; RINAUDO, 1984). Diversos estudos têm sido

realizados buscando elucidar a influência dos ligantes acetila no comportamento

reológico da xantana (CASAS; SANTOS; GARCÍA-OCHOA, 2000; ERTEN et al.,

2014; MCNEELY; KANG, 1973; PAZUR; MISKIEL; MARCHETTI, 1995; SLONEKER;

JEANES, 1962); entretanto, atualmente não existe um consenso na literatura a esse

respeito, provavelmente porque haja interação desse com outros fatores. Por outro

lado, sabe-se que a desacetilação permite ou facilita a interação da xantana com

outras gomas, sendo utilizada como pré-tratamento para a formação de ligações

cruzadas, num processo denominado reticulação ou cross-linking (LOPES et al.,

1992; SHATWELL; SUTHERLAND,1991; TAKO; NAKAMURA, 1985), capaz de

alterar propriedades como solubilidade e estabilidade térmica.

Estudos realizados com xantana têm mostrado que ocorrem maiores

variações quantitativas do que qualitativas dos substituintes acetila e piruvato

(BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002). Alterações quantitativas desses

ligantes também podem ser alcançadas através de modificações químicas pós-

fermentativas, como a desacetilação, que é a remoção dos grupos acetato,

normalmente por processo térmico em base diluída (JEANES; SLONEKER, 1961).

Alguns estudos foram desenvolvidos com o objetivo de estudar os parâmetros

envolvidos no processo de desacetilação após processo fermentativo (BRADSHAW

et al.,1983; JEANES; SLONEKER, 1961; PINTO, 2005; PINTO, FURLAN,

VENDRUSCOLO, 2011).

Sendo assim, neste estudo objetivou-se avaliar a influência do pH do

processo fermentativo na autodesacetilação e a influência dos parâmetros do

processo térmico alcalino no grau de desacetilação pós-fermentativa, bem como a

50

influência dos substituintes acetila nas propriedades reológicas e térmicas da

xantana produzida pelas cepas 101 e 106 de X. arboricola pv pruni.

3.2 Material e métodos

3.2.1 Micro-organismos

Utilizou-se neste estudo as cepas 101 e 106 de Xanthomonas arboricola pv

pruni, isoladas pelo Centro de Pesquisa Agropecuária de Clima Temperado

(CPACT- Embrapa), Pelotas, Brasil, e mantidas no Laboratório de Biopolímeros do

Núcleo de Biotecnologia do Centro de Desenvolvimento Tecnológico (CDTec) da

Universidade Federal de Pelotas, por liofilização e subculturas mensais em meio

sólido SPA (HAYWARD, 1964); estocadas a -8ºC e 4ºC, respectivamente.

3.2.2 Produção das xantanas com e sem autodesacetilação

Produziu-se as xantanas pruni em jarro de 10L com 7L de meio de

fermentação em biorreator (BioStat, B Braun Biotech International®), de acordo com

o pedido de patente WO2006047845 (VENDRUSCOLO et al., 2006). Utilizou-se

duas condições de pH para cada cepa utilizada: controlado a pH7 e a pH9 pela

adição de NaOH 2mol L-1; as demais condições operacionais do processo

fermentativo foram as mesmas para todos os processos realizados, exceto o tempo

de fermentação: utilizou-se 66h para cepa 106 e 72h para cepa 101. Procedeu-se

duas fermentações para cada combinação de pH/cepa utilizada.

Realizou-se a recuperação dos polímeros produzidos por precipitação em

etanol 96% (razão etanol:caldo de 4:1 (v/v)), após a esterilização dos caldos

fermentados a 121ºC por 15min. As xantanas recuperadas foram secas a 56ºC, em

estufa para secagem (Fabbe®), até peso constante e trituradas à granulometria de

51

60 – 150 mesh. Avaliou-se o rendimento de cada fermentação por método

gravimétrico, expressando-se os resultados em gramas de xantana por litro de caldo

fermentado (g L-1) (VENDRUSCOLO et al., 2000). As xantanas naturais, resultantes

dos processos fermentativos, foram assim nomeadas: Xp 101 pH7; Xp 101 pH9; Xp

106 pH7 e Xp 106 pH9. As xantanas obtidas em pH9 foram denominadas

autodesacetiladas.

Para cada fermentação analisou-se a produção e a viscosidade para verificar

a reprodutibilidade do processo fermentativo. As amostras finais consistem na

mistura das xantanas obtidas em duas bateladas.

Caracterizou-se as xantanas naturais pela determinação do teor de nitrogênio

pelo método de Micro-Kjeldahl, de acordo com o método 036/IV proposto pelo

Instituto Adolfo Lutz (2004); análise do teor de cinzas por calcinação e umidade por

gravimetria segundo os métodos 018/IV e 012/IV, respectivamente (INSTITUTO

ADOLFO LUTZ, 2004). A determinação do teor de carboxilas foi realizado de acordo

com Smith (1967). Para tanto, 300mg das amostras foram desmineralizadas com

30mL de HCl 0,1mol L-1, por 30 minutos, os polímeros recuperados e

cuidadosamente lavados com etanol 96%. Após a lavagem, os polímeros foram

dispersos em água ultrapura até o volume de 300mL; procedeu-se a titulação com

NaOH 0,1mol L-1, utilizando fenolftaleína como indicador. As determinações foram

realizadas em triplicada.

3.2.3 Reação de desacetilação

Realizou-se um estudo dos parâmetros envolvidos no processo de

desacetilação termoquímica pós-fermentativa de xantana pruni avaliando-se a

influência do tipo de base utilizada, da temperatura de reação e do tempo. Para isso

utilizou-se a xantana pruni produzida pela cepa 106 em pH controlado a 7 (Xp 106

pH7), por se tratar da xantana natural com maior teor de acetila.

Segundo Jeanes e Sloneker (1961), os ligantes acetila podem ser

quantitativamente removidos da cadeia lateral da molécula de xantana com base

diluída; assim, manteve-se fixa a concentração das bases utilizadas em 0,01mol L-1,

52

avaliando-se a influência do tipo de base. Utilizou-se duas bases, NaOH (Vetec®) e

NH4OH (Synth®), duas temperaturas (45 e 65ºC) e dois tempos (3 e 6h) para

proceder as reações de hidrólise alcalina no polímero.

Hidratou-se as amostras em solução aquosa de base, na proporção de 0,5%

(p/v) de xantana, até o volume final de 300mL (BRADSHAW et al., 1983), utilizando-

se frascos Erlenmeyers de 500mL. As soluções preparadas foram levadas ao

incubador orbital com controle de temperatura (Certomat BS-1, B. Braun Biotech

International®,), conduzindo-se as reações com agitação de 200rpm nos tempos e

temperaturas mencionados. Realizou-se o mesmo procedimento para ambas as

bases. Transcorrido o período de reação, neutralizou-se as soluções com HCl 2mol

L-1 e recuperou-se o polímero pela adição de etanol 96% na proporção de quatro

volumes de etanol para cada volume de solução. As xantanas modificadas foram

secas em estufa de secagem (Fabbe®) a 56ºC e em seguida trituradas até a

granulometria de 60 – 150 mesh.

Os diferentes tratamentos térmicos alcalinos resultaram em oito amostras de

xantanas pruni modificadas, as quais foram denominadas: Xp 106 pH7 NaOH 3h

45ºC; Xp 106 pH7 NaOH 6h 45ºC; Xp 106 pH7 NaOH 3h 65ºC; Xp 106 pH7 NaOH

6h 65ºC; Xp 106 pH7 NH4OH 3h 45ºC; Xp 106 pH7 NH4OH 6h 45ºC; Xp 106 pH7

NH4OH 3h 65ºC e Xp 106 pH7 NH4OH 6h 65ºC. Todos os experimentos foram

realizados em triplicata.

Selecionou-se as duas condições mais severas de reação para utilizar-se na

xantana Xp 101 pH9, amostra autodesacetilada, que naturalmente já apresenta

baixo teor de acetila.

Realizaram-se análises de teor de acetila conforme descrito no item 3.2.4.1 e,

a partir dos resultados obtidos, selecionou-se a condição ótima para desenvolver o

processo de modificação química por desacetilação nas demais xantanas pruni

naturais, aplicando-se também a modificação para as xantanas Xp 106 pH9

(autodesacetilada) e Xp 101 pH7, nomeando todas as xantanas desacetiladas com a

terminação DESA. Nesta condição, para cada xantana conduziu-se uma amostra

controle em água ultra pura, denominando os polímeros resultantes após o

tratamento térmico de Xp 106 pH7 controle 45ºC; Xp 106 pH9 controle 45ºC, Xp 101

pH7 controle 45ºC e Xp 101 pH9 controle 45ºC. Para verificar a influência da

temperatura nos controles, também preparou-se amostras controles para cada

53

xantana em água ultra pura a 25ºC. Para todas as xantanas controles, de ambas as

temperaturas (25 e 45ºC) avaliou-se o grau de recuperação por gravimetria (KLAIC

et al., 2016) e determinou-se o teor de piruvato de acordo com método descrito na

seção 3.2.4.1.

3.2.4 Análises físicas e químicas das xantanas naturais e modificadas

3.2.4.1 Teores de acetila e piruvato

Avaliou-se o conteúdo de acetila, das amostras naturais e de todas as

xantanas modificadas, usando o método colorimétrico do ácido hidroxâmico,

proposto por McComb & McCready (1957). Inicialmente preparou-se a curva de

calibração a partir de uma solução padrão a 0,1% (p/v) de β-D-glicose pentacetato.

Dissolveu-se o padrão em 5mL de etanol P.A., em seguida realizou-se aquecimento

brando da solução em banho-maria a 30°C com o béquer fechado. Após completa

dissolução transferiu-se a solução para balão volumétrico de 100mL e completou-se

o volume com água destilada e deionizada. Essa constituiu a solução padrão, a

partir da qual preparou-se soluções com concentrações de acetato variando de zero

a 420μg, em balão volumétrico de 50mL. Retirou-se 5mL de cada solução e

transferiu-se para balão volumétrico de 25mL; adicionou-se 1mL de cloridrato de

hidroxilamina 3,75% (p/v), 1mL de hidróxido de sódio 9,4% (p/v) e 5mL de solução

metanólica ácida, preparada com ácido perclórico 70% em metanol P.A. na

proporção de 7:93 (v/v); finalmente completou-se o volume com solução de

perclorato férrico. Para construção da curva de calibração realizou-se a leitura da

absorbância das soluções em espectrofotômetro (Ultrospec 2000, Pharmacia

Biotech®), no comprimento de onda de 520nm.

Para o preparo das amostras de xantana pesou-se 0,1g de polímero,

dissolveu-se em 25mL de cloridrato de hidroxilamina 3,75% (p/v), agitou-se por

15min até completa dissolução da amostra; em seguida adicionou-se 25mL de

hidróxido de sódio 9,4% (p/v), mantendo-se a agitação por mais 2h para que

54

ocorresse a completa transformação do acetato em ácido hidroxâmico. Dessa

solução retirou-se 2mL e transferiu-se para balão volumétrico de 25mL, ao qual

adicionou-se 5mL de solução metanólica ácida e completou-se o volume com

solução de perclorato férrico. Nessa etapa ocorreu a transformação do ácido

hidroxâmico em ácido acetohidroxâmico férrico, cuja intensidade da cor é

proporcional ao teor de acetila na amostra. Em seguida realizou-se a leitura da

absorbância em espectrofotômetro nas mesmas condições da curva de calibração.

As reações colorimétricas, bem como as leituras das absorbâncias, foram realizadas

em triplicata.

Nas xantanas naturais e submetidas à condição ótima de desacetilação

determinou-se os teores de piruvato pelo método colorimétrico da 2,4-

dinitrofenilidrazina, segundo Sloneker & Orentas (1962). Preparou-se uma curva de

calibração com soluções de concentrações variando de zero a 0,22mg de piruvato a

partir de uma solução padrão de piruvato de sódio 0,1mol L-1. De cada solução

retirou-se alíquotas de 2mL e transferiu-se para um funil de decantação, ao qual

adicionou-se 1mL de solução de dinitrofenilhidrazina 0,5% (p/v), preparada em HCl

2mol L-1. Transcorridos 5min, adicionou-se 5mL de acetato de etila, agitou-se bem a

mistura e desprezou-se a fase aquosa inferior. Em seguida, adicionou-se três

alíquotas de 5mL de solução de carbonato de sódio 10% (p/v), coletando-se o

extrato da fase inferior para cada alíquota adicionada. Transferiu-se o extrato de

interesse para balões volumétricos de 25mL e completou-se o volume com solução

de carbonato de sódio 10% (p/v). Para construção da curva de calibração realizou-

se a leitura da absorbância das soluções em espectrofotômetro (Ultrospec 2000,

Pharmacia Biotech®), no comprimento de onda de 375nm.

Para determinação do teor de piruvato nas amostras de xantana, preparou-se

uma solução a 0,4% (p/v) de polímero em HCl 2mol L-1 e submeteu-se as soluções à

hidrólise em banho-maria por 16h a 80°C. Retirou-se alíquotas de 2mL de cada

solução e procedeu-se a reação com dinitrofenilhidrazina, conforme descrito

anteriormente para curva de calibração. As reações colorimétricas, bem como as

leituras das absorbâncias, foram realizadas em triplicata.

55

3.2.4.2 Espectroscopia de infravermelho

Obteve-se os espectros de infravermelho, das xantanas naturais e

modificadas, pastilhando-se 2mg das amostras, trituradas (100 mesh) e dessecadas,

em 200mg de brometo de potássio de grau espectroscópico; conduziu-se as

análises em espectrofotômetro (Modelo IR Prestige 21, Shimadzu®), na faixa de

número de onda de 4000 a 400cm-1, no modo de transmitância, com 60 varreduras e

resolução de 4cm-1.

3.2.4.3 Teores de sódio, potássio, cálcio e magnésio

Realizou-se a determinação do teor de sais das xantanas naturais e

modificadas pela condição ótima de desacetilação. As análises de sódio e potássio

foram realizadas em fotômetro de chama (Modelo B462, Micronal®) e as de cálcio e

magnésio em espectrômetro de absorção atômica (Modelo AA – 6300, Shimadzu®),

segundo Klaic et al. (2011).

Preparou-se curvas de calibração para determinação de Na e K com faixa de

concentração de 0,5 a 3mg L-1 e 0,5 a 4mg L-1, respectivamente, e, para Ca e Mg,

faixas de concentração de 0,1 a 0,6mg L-1, para ambos os analitos. Para minimizar

interferências de ionização adicionou-se 0,1% (p/v) de cloreto de césio nas soluções

padrões de calibração e, posteriormente, nas amostras.

Para o preparo das amostras pesou-se 100mg de xantana em tubos de

digestão e adicionou-se 5mL de ácido nítrico purificado. Purificou-se o ácido nítrico

P.A. (Synth®) por bidestilação em sistema de quartzo (modelo MA-075, Marconi®)

para posterior utilização no tratamento das amostras e descontaminação de

vidrarias. As vidrarias e materiais foram descontaminados por imersão em solução

de ácido nítrico 10% (v/v) por 48h e subsequente enxágue com água ultrapura.

Aqueceu-se a mistura em um bloco digestor (modelo MA-4025, Marconi®) a 100ºC

durante 2h. Resfriou-se a mistura à temperatura ambiente e adicionou-se 2mL de

ácido perclórico, aquecendo-se novamente a mistura na mesma temperatura por

56

mais 1h. Depois de resfriadas, transferiu-se as soluções mineralizadas para frascos

volumétricos e avolumou-se para 50mL com água ultra pura. Diluiu-se cada amostra

de modo apropriado para cada analito.

Realizou-se as análises por espectrometria de emissão atômica de chama

sob as seguintes condições: volume de amostra de 5mL min-1, tempo de leitura de

8s, ar comprimido (9L min-1) a uma pressão de 1Kgf cm-2 e chama de gás butano.

Para a espectrometria de absorção atômica utilizou-se chama de ar-acetileno nas

seguintes condições: modo chama com uma lâmpada de cátodo oco de Ca e Mg,

comprimentos de onda de 422,7nm para o Ca e 285,2nm para Mg e passagem na

faixa espectral de 0,7nm para ambos os elementos. A corrente da lâmpada utilizada

foi de 10mA para Ca e 8mA para Mg.

3.2.4.4 Determinação qualitativa de monossacarídeos e ácidos derivados

Identificou-se, pelo método de Cromatografia de Camada Delgada

Comparativa (CCDC), de acordo com Vendruscolo et al. (2000), os

monossacarídeos e ácido derivado nas xantanas naturais, incluindo as

autodesacetiladas, e nas xantanas desacetiladas após fermentação na condição

ótima de reação. Para tal, hidrolisou-se os polímeros em solução de ácido clorídrico

2mol L-1, na proporção de 3% (m/v), em banho-maria por 16h a 80°C. Em seguida,

resfriou-se as soluções à temperatura ambiente e filtrou-se. Preparou-se soluções

de amostras autênticas de glicose (G), ramnose (R), manose (M) e ácido glicurônico

(AG) a 1% (p/v) em metanol P.A. Aplicou-se 3µL dos hidrolisados e das soluções de

amostras autênticas em cromatofolhas de alumínio (suporte) e sílica gel (fase

estacionára) 60 F254 (Merck®), e eluiu-se com clorofórmio:metanol:ácido

acético:água, na proporção de 40:40:10:10 (v/v/v/v). Secou-se as cromatofolhas e,

para o desenvolvimento das colorações típicas, aplicou-se o revelador anisaldeído

sulfúrico e procedeu-se aquecimento com pistola até visualização das manchas. Os

cromatogramas foram registrados através de digitalização em scanner.

57

3.2.4.5 Reometria

Preparou-se soluções de xantana a 1% (p/v) pela hidratação do polímero em

água ultrapura e agitação moderada em agitador magnético em temperatura

ambiente por 2h. Em seguida, submeteu-se as soluções a aquecimento de 60ºC em

banho-maria durante 20min (XUEWU et al., 1996). As amostras permaneceram em

repouso, a 4ºC, durante 24h previamente às análises.

Analisou-se as amostras de xantanas naturais, modificadas e respectivos

controles através de ensaios rotacionais e oscilatórios em reômetro (Haake®

Rheostress 600, modelo RS150) com controlador de temperatura (Peltier, ±0,1 °C).

Determinou-se a viscosidade por meio de curvas de tensão de cisalhamento versus

taxa de deformação a 25ºC, utilizando geometria de cone e placa (sensor C35/1º;

0.052mm gap) e taxa de cisalhamento de 0,01-1000s-1, durante 400s. As medidas

foram realizadas em triplicata, não havendo diferenças maiores que 5% em nenhum

ponto de aquisição para as leituras de uma mesma amostra. Os parâmetros

reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n) foram obtidos pelo ajuste

do modelo de Ostwald-de-Waelle segundo as equações:

e

As propriedades viscoelásticas lineares das xantanas foram determinadas

através da medição dos módulos elástico G´(ω) e viscoso G” (ω). Antes das

medidas, realizou-se a verificação da faixa de viscoelasticidade linear (MICHONA et

al., 2004) através da varredura de tensão (0,01 – 50,0Pa), com frequência fixa em

1Hz, e, em seguida, fixando-se a tensão e realizando-se a varredura de frequência

(0,01 a 15Hz). O estresse a ser imposto durante as análises posteriores foi escolhido

dentro do regime de resposta linear observado (0,5Pa de tensão e frequência

variando de 1 a 10Hz).

58

3.2.4.6 Análise térmica

Amostras de 5 a 10mg foram pesadas e alocadas em cápsulas de alumínio

herméticas fechadas; utilizando-se uma cápsula vazia como referência. As análises

termogravimétricas (TGA/DTG) foram realizadas em equipamento Shimadzu® DTG-

60, com rampa de aquecimento de 30 a 350ºC e com taxa de 10°C/min.

As análises de calorimetria exploratória diferencial (DSC) foram conduzidas

em equipamento Shimadzu® DSC-60. O aquecimento foi de 25°C a 240°C, com

taxa de 10°C/min, e resfriamento de 240°C a 25°C, com taxa de 10°C/min; entre

cada etapa foi realizada uma isoterma por 5min. Gás nitrogênio foi utilizado para

garantir uma atmosfera inerte durante as análises.

3.2.5 Análise estatística

Realizou-se todos os experimentos em triplicata, e os resultados obtidos

foram submetidos à análise de variância, com exceção da espectroscopia de

infravermelho, análises térmicas e reometria. As médias foram comparadas pelo

teste de Tukey (p<0,05).

3.3 Resultados e discussão

3.3.1 Caracterização das xantanas naturais

As condições operacionais empregadas no processo fermentativo exercem

influência no rendimento e na qualidade da xantana produzida (GARCÍA-OCHOA et

al., 2000). Os rendimentos obtidos para as cepas 101 e 106, em pH 7,0 e 9,0, estão

dispostos na figura 4.

59

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Xp 101 pH7 Xp 101 pH9 Xp 106 pH7 Xp 106 pH9

Pro

du

ção

(g

L-1

)

19,17a 0,06

17,69b 0,32 17,63b 0,06

14,44c 0,24

Figura 4 – Produção de xantana (g L-1

) para as duas cepas nas duas condições de pH. Médias (n=6) com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey ao nível de 5% de significância.

Observou-se diferença significativa no rendimento de xantana pruni (p<0,05),

tanto em função da cepa quanto do pH utilizado. A produção em condição de

neutralidade (pH7) possibilitou os maiores resultados, para ambas as cepas, em

acordo com diversos autores (CADMUS et al., 1978; FLORES CANDIA; DECKWER,

1999; VUYST; LOO; VANDAMME, 1987). Para cepa 101 os resultados estão de

acordo com os encontrados em estudo prévio (KLAIC, 2010), que foram de 19,16 e

17,49g L-1 para xantanas do pH7 e 9, respectivamente. Os rendimentos de polímero

da cepa 106 estão em concordância com os encontrados por Borges et al. (2009a),

que produziram xantana pruni com a mesma cepa nestas duas condições de pH. A

maior produção foi alcançada pela cepa 101 em pH7 (19,17 ± 0,06), resultados

diferentes dos relatados por Rodrigues (2010), estudo no qual a maior produção de

xantana foi alcançada pela cepa 106 quando comparada com a produção da cepa

101, ambas fermentadas em pH7. Os teores de nitrogênio, cinzas e umidade

verificados nas xantanas naturais estão descritos na tabela 1.

60

Tabela 1 – Teores de nitrogênio, cinzas, umidade e carboxilas (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 em duas condições de pH

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05). *Xantanas produzidas em pH 9 são autodesacetilada. **Limites estabelecidos pela FAO (1999).

O teor de cinzas diferiu significativamente entre todas as xantanas

produzidas, com valores abaixo do limite de 16% proposto por Burdock (1997) e pela

FAO (1999). Este resultado está de acordo com estudos prévios realizados com o

patovar pruni (BORGES et al., 2008; BORGES et al., 2009a; KLAIC, 2010;

PREICHARDT, 2009; RODRIGUES, 2010).

Os teores de nitrogênio foram influenciados significativamente (p<0,05)

apenas pela cepa utilizada, não sendo influenciados pelo pH de produção, sendo os

maiores teores encontrados para cepa 106.

Encontrou-se teores de umidade abaixo de 5% para todas as xantanas,

valores bem menores que os reportados na literatura para xantana comercial, que

apresenta normalmente em torno de 10% de água (GARCÍA-OCHOA et al., 2000),

sendo aceitável de 8 a 15% (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002;

BURDOCK, 1997; GARCÍA-OCHOA et al., 2000). Os polímeros polissacarídeos

apresentam propriedades higroscópicas e, alguns, como a xantana, estão sujeitos à

degradação hidrolítica (GARCÍA-OCHOA et al., 2000; SMITH; PACE, 1982). Sendo

assim, baixos teores de umidade são indicados para garantir a estabilidade e,

consequentemente, a qualidade da xantana.

Xantana Análise

Nitrogênio Cinzas Umidade

Xp 101 pH7 0,96b ± 0,05 14,91

b ±0,02 4,93

a ± 0,06

Xp 101 pH9* 0,91b ± 0,01 15,07

a ± 0,04 4,65

b ± 0,06

Xp 106 pH7 1,16a ± 0,02 12,94

d ± 0,07 4,77

b ± 0,04

Xp 106 pH9* 1,10a ± 0,02 14,04

c ± 0,06 4,46

c ± 0,04

Limite superior* 1,5% 16% 15%

61

3.3.2 Desacetilação

3.3.2.1 Autodesacetilação

O teor de acetila diferiu significativamente (p<0,05) nas xantanas pruni

naturais, variando de 0,28 a 4,09; e foi pH e cepa dependente, como pode ser

observado nos resultados apresentados na tabela 2. A literatura reporta valores de

acetila entre 1,9 e 6,0% (GARCÍA-OCHOA et al., 2000), mas na xantana Xp 101 pH9

verificou-se valor abaixo desta faixa. Comparando-se xantanas pruni obtidas em um

mesmo pH, as produzidas pela cepa 106 tiveram maior quantidade de acetila. A

alcalinização do meio fermentativo resultou em autodesacetilação em níveis

variados, parcial para a xantana Xp 106 pH9 e total para a 101 pH9, com reduções

de 35% e 88% no teor de acetila, respectivamente. Na cepa 101, o resultado foi

equivalente aos das xantanas desacetiladas por processo pós-fermentativo

termoquímico (Tabela 4) (p<0,05). Para piruvato, os maiores valores foram

encontrados em pH 7, para ambas as cepas, não havendo diferença significativa ao

nível de 5% de significância entre as duas xantanas produzidas nessa condição.

Para o pH 9 também não houve diferença entre as duas cepas.

Os teores de carboxilas não foram influenciados significativamente (p<0,05)

pelo pH de produção, apenas pela cepa, sendo os maiores teores,

aproximadamente 4%, encontrados para cepa 106. Os teores de carboxilas para as

xantanas da cepa 101 estão de acordo com resultados obtidos anteriormente em

pH 7 e pH 9 por Klaic (2010), sendo 2,97 e 2,92% respectivamente. Mohammed et

al. (2007) reportam valores superiores, 6,6% de carboxilas para uma amostra de

xantana comercial Kelco®.

62

Tabela 2 – Teor de acetila e piruvato (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 em duas condições de pH.

Xantana Análise

Acetila Piruvato Carboxilas

Xp 101 pH7 2,37c ± 0,06 0,63

a ± 0,04 2,84

b ± 0,09

Xp 101 pH9 0,28d ± 0,02 0,31

b ± 0,02 3,03

b ± 0,15

Xp 106 pH7 4,09a ± 0,04 0,63

a ± 0,02 4,14

a ± 0,09

Xp 106 pH9 2,65b ± 0,05 0,34

b ± 0,03 4,04

a ± 0,15

Limite inferior* 1,9 1,0 -

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05). *Limites inferiores relatados para xantana comercial por García-Ochoa et al. (2000).

De acordo com Burdock (1997), o limite inferior para o conteúdo de piruvato

na xantana comercial é de 1,5% e García-Ochoa et al. (2000) indicam valores de 1 a

5,7%. Todas as xantanas produzidas apresentaram valores abaixo dos

especificados.

Diversos pesquisadores produziram xantanas pruni utilizando essas mesmas

cepas de X. arborícola pv pruni, anteriormente denominada de X. campestris pv

pruni. Rodrigues (2010) e Klaic (2010) produziram xantana com a cepa 101 em pH7,

encontrando valores de acetila e piruvato de 2,39 e 1,52% respectivamente. Já Pinto

(2005) obteve teores de acetila de 5,0% e piruvato de 0,8%. Essa mesma cepa

fermentada em pH9 apresentou 0,68% de piruvato (KLAIC, 2010). Para cepa 106,

em pH 7, foram encontrados teores de acetil de: 2,45% (RODRIGUES, 2010); 4,47%

(PREICHARDT, 2009); e 2,9% (BORGES et al. 2009a). Os teores de piruvato

também foram variados: 1,93% (RODRIGUES, 2010); 1,26% (PREICHARDT, 2009)

e 0,79% (BORGES et al. 2009a). Borges et al. (2009a) também produziram xantana

dessa mesma cepa em pH 9, encontrando 0,86% de acetila, confirmando o poder de

desacetilação do pH alcalino durante o bioprocesso.

Smith et al. (1981) verificaram que xantanas comerciais apresentaram

variações no grau de substituição dos grupos acetato e piruvato e, segundo os

pesquisadores, essas variações podem ser observadas entre diferentes lotes de

uma mesma fonte, portanto, o controle do grau de piruvatação e de acetilação na

xantana por métodos químicos parece ser mais eficiente do que por métodos

biotecnológicos (BRADSHAW et al., 1983).

63

Sendo assim, pode-se concluir que a xantana da cepa 101 produzida em

condições alcalinas sofre autodesacetilação, que ocorre durante o processo

fermentativo realizado em pH9 (MCNEELY; KANG, 1973; JEANES; SLONEKER,

1961).

3.3.2.2 Desacetilação termoquímica

Os teores de acetila determinados para a xantana pruni 106 pH7, usada como

referência por ter os maiores níveis de acetila dentre as xantanas naturais deste

estudo, e para as xantanas modificadas por desacetilação termoquímica pós-

fermentativa, em diferentes condições, são apresentados na tabela 3.

Tabela 3 – Teores de acetila da xantana pruni natural Xp 106 pH7, usada como referência, e das modificadas por reação de desacetilação termoquímica pós-fermentativa em diferentes condições.

Xantana

Acetila

(% p/p) Remoção (%)

Xp 106 pH7 4,09a ± 0,04 0

Xp 106 pH7 NaOH 3h 45ºC 0,26d ± 0,03 93,64

Xp 106 pH7 NaOH 6h 45ºC 0,27d ± 0,03 93,40

Xp 106 pH7 NaOH 3h 65ºC 0,25d ± 0,04 93,89

Xp 106 pH7 NaOH 6h 65ºC 0,18d ± 0,003 95,60

Xp 106 pH7 NH4OH 3h 45ºC 3,91a ± 0,04 4,40

Xp 106 pH7 NH4OH 6h 45ºC 3,62b ± 0,05 11,49

Xp 106 pH7 NH4OH 3h 65ºC 3,54b ± 0,06 13,45

Xp 106 pH7 NH4OH 6h 65ºC 3,01c± 0,18 26,40

*Valores = médias ± SD; n = 9. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05).

Observou-se que as xantanas resultantes de todas as condições utilizadas

para reação de desacetilação apresentaram redução no teor de acetila, com

exceção da xantana submetida à reação mais branda, 3h a 45ºC empregando-se a

64

base fraca NH4OH, que não diferiu significativamente da xantana natural ao nível de

5% de significância. Com NH4OH, se obteve menor % de remoção dos substituintes

acetila, obtendo-se o melhor resultado na condição mais severa, 65°C e 6h, com

redução de 26,4% no teor de acetila. Os melhores resultados foram obtidos com a

base forte, NaOH, com reduções entre 93,4 e 95,6%. Este resultado corrobora com

os autores Pinto (2005) e Pinto, Furlan e Vendruscolo (2011), que, ao estudarem os

parâmetros do processo de desacetilação em xantana comercial, verificaram que o

grau de desacetilação aumenta com o aumento da força da base utilizada, ou seja, a

desacetilação é maior utilizando-se hidróxido de sódio quando comparado a

hidróxido de amônio.

A literatura apresenta várias metodologias empregadas para desacetilação de

xantana; Callet, Millas e Rinaudo (1987) e Lopes et al. (1992) utilizaram xantana a

0,1% (p/v) e NaOH a 0,06mol L-1, realizando a reação sob agitação por 24h a 5ºC,

obtendo 100% de remoção dos grupos acetato; Bradshaw et al. (1983) utilizaram

soluções de xantana a 0,5% e KOH com concentrações variando de 0,005 –

0,025mol L-1 por 3h à temperatura ambiente, alcançando redução de 100% no teor

de acetila; Khouryieh et al. (2007) realizaram a reação de desacetilação utilizando

xantana a 0,2% (p/v) e KOH a 0,025mol L-1, em temperatura ambiente por 2,5h,

reduzindo o teor de acetila em 91%, conforme cálculo realizado por nosso grupo;

Pinto, Furlan e Vendruscolo (2011) estudaram duas concentrações de xantana (0,5

e 1%) e três concentrações de base (0,0025, 0,005 e 0,01mol L-1), conduzindo a

reação a 25ºC durante 3h, e a máxima desacetilação alcançada foi de 67,5%,

utilizando a base NaOH.

Estudos recentes também têm utilizado estearases, ou seja, enzimas que

hidrolisam ésteres, para proceder a desacetilação da xantana, promovendo até 57%

de remoção dos grupos acetila, sendo 70% desses localizados nas unidades de

manose interna (KOOL et al., 2014). Entretanto, os autores verificaram que a

xantana só é susceptível à ação enzimática quando a conformação molecular está

no estado desordenado, sendo necessária a utilização de condições de incubação

que permitam a desordem conformacional da molécula de xantana.

Não observou-se diferença significativa (p<0,05) na desacetilação causada

por temperatura ou tempo de reação ao se utilizar NaOH no processo reacional.

Esses resultados diferem daqueles relatados por Pinto (2005), que observou maior

65

desacetilação com o aumento do tempo de reação e da temperatura. Em nosso

estudo, observou-se esse resultado apenas para a base fraca, NH4OH. Alguns

autores estimam que a desacetilação comece a ocorrer em pH9 ou acima deste

(MCNEELY; KANG, 1973), o que somente foi alcançado, ou superado, no processo

pós-fermentativo de desacetilação termoquímica, utilizando-se a base forte NaOH.

Na tabela 4 estão dispostos os resultados obtidos por desacetilação pós-

fermentativa termoquímica para a xantana Xp 101 pH9, que naturalmente apresenta

baixo teor de acetila (0,28 ± 0,02% p/p) em função da autodesacetilação. Empregou-

se NaOH nas duas condições reacionais mais severas (65ºC por 3 e 6h) e o teor de

acetila não diferiu significativamente da xantana natural autodesacetilada.

Tabela 4 – Teores de acetila da xantana Xp 101 pH9 natural autodesacetilada e desacetiladas após fermentação em diferentes condições.

Xantana Teor de Acetila

(% p/p)

Xp 101 pH9 0,28a ± 0,02

Xp 101 pH9 NaOH 3h 65ºC 0,27a ± 0,04

Xp 101 pH9 NaOH 6h 65ºC 0,22a ± 0,00

*Valores = médias ± SD; n = 9. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05).

Desta forma, a partir da comparação dos resultados obtidos, selecionou-se a

condição de 3h de reação a 45ºC com NaOH como a condição ótima de tratamento

para as demais xantanas, uma vez que proporcionou alto grau de desacetilação,

com menor tempo e temperatura, proporcionando menor gasto de energia e maior

rapidez ao processo. As demais xantanas pruni naturais, com exceção da Xp 101

pH9, foram submetidas à reação termoquímica de desacetilação na condição

selecionada, e os resultados são apresentados na tabela 5 da seção 3.3.3.1.

66

3.3.3 Caracterização das xantanas modificadas

3.3.3.1 Teores de acetila e piruvato

O processo de desacetilação termoquímica reduziu significativamente

(p<0,05) os teores de acetila das xantanas, não havendo diferença significativa entre

elas após o processo (Tabela 5). Os controles não diferiram das respectivas

xantanas pruni naturais quanto ao teor de acetila, com exceção da xantana Xp 106

pH7 cujo controle apresentou pequena, porém significativa, redução de 4,4%.

Tabela 5 – Teor de acetila e piruvato (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais, modificadas por reação de desacetilação termoquímica após fermentação na condição ótima – NaOH, 45ºC e 3h – e respectivos controles.

Xantana

Análise

Acetila Piruvato

Xp 101 pH7 2,37d ± 0,06 0,63

a ± 0,04

Xp 101 pH9* 0,28e ± 0,02 0,31

bcd ± 0,02

Xp 106 pH7 4,09a ± 0,04 0,63

a ± 0,02

Xp 106 pH9* 2,65c ± 0,05 0,34

b ± 0,03

Xp 101 pH7 controle 45ºC 2,34d ± 0,06 0,25

cd ± 0,02

Xp 101 pH9 controle 45ºC 0,25e ± 0,02 0,24

d ± 0,01

Xp 106 pH7 controle 45ºC 3,91b ± 0,03 0,25

cd ± 0,01

Xp 106 pH9 controle 45ºC 2,71c ± 0,02 0,25

cd ± 0,02

Xp 101 pH7 DESA 0,34e ± 0,02 0,30

bcd ± 0,01

Xp 106 pH7 DESA 0,26e ± 0,03 0,32

bc ± 0,02

Xp 106 pH9 DESA 0,23e ± 0,03 0,32

bc ± 0,03

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05). *Xantanas autodesacetiladas.

A autodesacetilação, ocorrida durante o processo fermentativo em pH 9 foi

cepa dependente, uma vez que para cepa 101 resultou em uma xantana

naturalmente desacetilada, não necessitando de processo termoquímico alcalino, ao

67

passo que para a cepa 106 a autodesacetilação reduziu a quantidade de acetil em

apenas 35%. O processo de autodesacetilação não pareceu alterar

quantitativamente as cadeias laterais, já que o teor de carboxilas (Tabela 1),

presentes no ácido glicurônico, unidade intermediária das cadeias laterais, manteve-

se constante nos diferentes pH, para a mesma cepa.

O método de desacetilação termoquímica pós-fermentativo selecionado foi

eficiente na remoção dos grupos acetato das xantanas pruni naturais de ambas as

cepas. Os resultados obtidos foram equivalentes ao obtido por autodesacetilação

total, ocorrida na xantana da cepa 101. O processo utilizado (condição ótima)

também reduziu significativamente os teores de piruvato das xantanas obtidas em

pH 7, tornando-os equivalentes aos das xantanas autodesacetiladas. Porém, os

teores de piruvato das xantanas desacetiladas termoquimicamente não são

estatisticamente diferentes dos respectivos controles, obtidos em 45ºC, já que a

dissolução e posterior recuperação das xantanas, para obtenção das xantanas

controle, também reduziu o teor de piruvato.

Com o objetivo de investigar as razões dessa redução no teor de piruvato,

produziu-se amostras controles a 25ºC, determinando-se o teor de piruvato dos

polímeros resultantes, bem como o percentual de polímero recuperado pela

precipitação em etanol em relação ao peso inicial de xantana. Na tabela 6, pode-se

observar os resultados.

Tabela 6 – Teor de piruvato (% p/p) e grau de recuperação (%) das xantanas controles produzidas a 25ºC e a 45ºC.

Xantana

Análise

Piruvato % de recuperação

Xp 101 pH7 controle 25ºC 0,32a ± 0,02 73,8

d ± 2,6

Xp 101 pH9 controle 25ºC 0,30ab

± 0,02 80,8ab

± 1,2


bc ± 0,4


ab ± 0,9

Xp 101 pH7 controle 45ºC 0,25bc

± 0,02 74,1d ± 0,3


cd ± 0,3


± 0,01 80,5ab

± 0,7


± 0,02 81,8a ± 0,4

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05).

68

Os teores de piruvato dos controles a 45ºC foram significativamente menores

que os respectivos controles a 25ºC. Os resultados demonstram a influência da

etapa de recuperação extra, utilizada tanto na desacetilação termoquímica quanto

na obtenção dos respectivos controles, na redução dos teores de piruvato. O

aumento de temperatura torna a redução mais intensa.

Borges et al. (2009a) e Silveira et al. (2008) observaram que o tratamento

térmico realizado em temperaturas elevadas (121ºC) reduz os teores de acetila e

piruvato da xantana, provavelmente por hidrólise térmica (CALLET; MILAS;

RINAUDO, 1989; BORGES et al. 2009a). Apesar de estar havendo perda de

material durante o processo, comprovada pelo percentual de recuperação

polimérica, tal perda não parece estar relacionada à redução do piruvato.

3.3.3.2 Espectroscopia de infravermelho

Os resultados de espectroscopia de infravermelho reforçam aqueles

encontrados na análise química de teor de acetila. É possível visualizar, na figura 5,

a ausência de bandas de absorção características da carbonila do grupo acetato na

Xp 101 pH9 (autodesacetilada), ao passo que está presente nas demais xantanas;

com menor intensidade na Xp 106 pH9 (parcialmente desacetilada), em consonância

com a determinação quantitativa.

69

Figura 5 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni naturais, com e sem autodesacetilação.

A deformação axial dos ésteres de ligação C=O é caracterizado por uma

banda a 1710 a 1730cm-1, normalmente presente no espectro das xantanas. Essa

banda, entretanto, está ausente na xantana Xp 101 pH9, de baixo teor de acetila

(0,28%), e também aparece com menor intensidade na xantana Xp 106 pH9. Esse

resultado comprova a autodesacetilação e a autodesacetilação parcial que ocorre

nessa condição de pH para cepa 101 e 106, respectivamente.

A desacetilação pós-fermentativa também pôde ser comprovada através da

espectrometria de infravermelho (Figura 6), pela ausência de bandas de absorção

características desses grupos funcionais nas xantanas submetidas à hidrólise com

NaOH, para todos os tempos e temperaturas estudados, no processo de reação

aplicados à xantana Xp 106 pH7. Porém, essa banda pode ser visualizada na

xantana natural e nas xantanas que sofreram processo termoquímico em NH4OH.

Os espectros das amostras de xantana apresentam uma banda de absorção

forte e larga em 3200 a 3450cm-1, referente aos grupos hidroxila (OH) associados

70

por ligações de hidrogênio, e em 2931cm-1, relativa ao estiramento assimétrico do

grupo metileno (CH2). A deformação angular de C–OH de ácido carboxílico

apresentou uma banda em 1395 a 1440cm-1.;em 1259cm-1, verificou-se uma banda

de estiramento da ligação C–O de ácidos carboxílicos e em 1629cm-1, pela

deformação axial de C=O.

Os ésteres metílicos apresentam uma banda em 1250cm-1, que também se

apresenta com menor intensidade na xantana Xp 101 pH9. A diminuição da

intensidade dessa banda também é facilmente visualizada para as xantanas

desacetiladas após fermentação. A figura 7 apresenta os espectros de infravermelho

para as xantanas submetidas à condição ótima de desacetilação e seus respectivos

controles.

71

Figura 6 – Espectros de infravermelho da xantana pruni Xp 106 pH7 natural e xantanas modificadas

por desacetilação termoquímica pós-fermentativa com NaOH (A) e NH4OH (B).

72

Figura 7 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni: (A) Xp 101 e (B) Xp 106 naturais,

desacetiladas termoquimicamente e controles a 45ºC.

73

3.3.3.3 Sódio, potássio, cálcio e magnésio

Os íons presentes na xantana são uma consequência tanto das condições

operacionais, como do meio de produção e o uso de soluções para controle do pH,

quanto do processo de recuperação e tratamentos pós-fermentativos (BORGES et

al., 2009a; GARCÍA-OCHOA et al., 2000; KLAIC et al., 2011). Na tabela 7 estão

dispostos os resultados da análise de sais presentes nas xantanas pruni naturais,

desacetiladas e controles. As xantanas naturais diferiram significativamente entre si

ao nível de 5% de significância para sódio e potássio. Todas as xantanas naturais

produzidas tiveram valores bastante próximos de sais monovalentes, dentro da faixa

reportada na literatura.

De acordo com García-Ochoa et al. (2000), a xantana comercial apresenta

entre 3,6 e 14,3% de sais monovalentes. Em estudo realizado por Borges, Bastos e

Vendruscolo (2007), que avaliaram as xantanas comerciais Kelco® e Roeper®,

foram relatados teores de 3,2 e 0,67% de sais monovalentes totais,

respectivamente. Já Klaic et al. (2011) avaliaram o teor de sais monovalentes das

xantanas comerciais embaladas e distribuídas por Farmaquímica Indústria Ltda, com

3,26% e Aksy comercial Ltda com 3,21%, além da produzida pela Sigma-Aldrich®,

que apresentou 10,53% de sais monovalentes.

Para as xantanas da cepa 101 verificaram-se, na xantana produzida em pH7,

valores de sódio e potássio bastante próximos, com predomínio de potássio. Como

esperado, os maiores teores de sódio foram encontrados para xantana produzida

em pH9, uma vez que o controle do pH é realizado pela adição de NaOH (BORGES

et al., 2009a; KLAIC et al., 2011); porém, inesperadamente, as xantanas produzidas

pela cepa 106 tiveram predomínio de potássio, em ambos os pH. Para ambas as

cepas quanto maior o teor de sódio, menor o teor de potássio.

O conteúdo total de íons divalentes para xantana foi estimado na faixa de

0,085 a 0,17% por García-Ochoa et al. (2000). Todas as xantanas pruni tiveram

valores levemente superiores: Xp 101 pH7 com 0,20%; Xp 101 pH9 com 0,27%; Xp

106 pH7 com 0,26% e Xp 106 pH9 com 0,23%. Além disso, tal situação não é uma

desvantagem, visto que, muitas vezes as xantanas comerciais são adicionadas de

sais divalentes, como CaCO3, como um processo pós-fermentativo a fim de

74

aumentar a viscosidade e estabilidade térmica (BERGMANN; FURTH; MAYER,

2008; GARCÍA-OCHOA et al. 2000; SUTHERLAND, 2001a). Alguns autores, por

exemplo, relatam teores de 0,22 a 1,9% de sais divalentes para xantanas comerciais

avaliadas em estudos (BORGES; BASTOS; VENDRUSCOLO, 2007; KLAIC et al.

2011).

Tabela 7 – Teores de sódio, potássio, cálcio e magnésio (mg g-1

) e sais monovalentes (% p/p) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais e desacetiladas na condição ótima.

*SMV = % sais monovalentes. **SDV= % sais divalentes. Valores = médias ± SD; n = 6. < LD= abaixo do limite de detecção (0,78 mg g

-1). Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes

pelo teste de Tukey (p<0,05).

As xantanas desacetiladas e controles apresentaram teores de sódio e

potássio menores do que as xantanas naturais, diferindo significativamente destas.

A maior redução de sais monovalentes ocorreu na desacetilação. Os teores de

magnésio, contrariamente mantiveram-se muito próximos das xantanas naturais,

sendo a maior redução esperadamente observada para as xantanas desacetiladas,

uma vez que esses íons estão ligados aos resíduos ácidos (acetila e ácido pirúvico)

da molécula (MCNEELY; KANG, 1973), que tiveram uma redução após o processo

térmico conforme apresentado na tabela 5. A diminuição nos controles em relação

às xantanas naturais pode ser devido ao fato desses íons estarem em excesso no

Xantana

Análise

sódio Potássio SMV* cálcio Magnésio SDV**

Xp 101 pH7 20,91b ± 0,56 23,67

c ± 0,19 4,46 < LD 2,00

de ± 0,01 0,20

Xp 101 pH9 41,45a ± 0,21 17,24

e ± 0,42 5,86 < LD 2,69

a ± 0,01 0,23

Xp 106 pH7 17,85d ± 0,15 27,33

b ± 0,32 4,51 < LD 2,58

a ± 0,06 0,26

Xp 106 pH9 16,89e ± 0,19 30,22

a ± 0,05 4,71 < LD 2,31

b ± 0,06 0,23

Xp 101 pH7 DESA 12,66f ± 0,26 7,99

i ± 0,33 2,06 < LD 1,86

f ± 0,04 0,19

Xp 106 pH7 DESA 12,74f ± 0,35 9,44

h ± 0,32 2,22 < LD 2,07

cd ± 0,03 0,21

Xp 106 pH9 DESA 10,70g ± 0,18 11,21

g ± 0,12 2,19 < LD 2,01

de ± 0,03 0,20

Xp 101 pH7 controle 45ºC 8,18h ± 0,23 13,20

f ± 0,45 2,14 < LD 1,91

ef ± 0,07 0,19


g ± 0,02 3,14 < LD 2,64

a ± 0,04 0,26


d ± 0,25 2,65 < LD 2,27

b ± 0,03 0,23


e ± 0,29 2,55 < LD 2,14

c ± 0,03 0,21

75

meio reacional e não ligados à molécula. Para o sódio, os controles apresentaram

teores significativamente menores do que as xantanas desacetiladas, o que pode

ser explicado pelo fato da desacetilação ser realizada em NaOH, resultando,

provavelmente, na incorporação de sódio às xantanas.

3.3.3.4 Determinação qualitativa de monossacarídeos e ácidos derivados

Em todas as xantanas produzidas detectou-se glicose (Rf 0,58), manose (Rf

0,59,) ramnose (Rf 0,70) e ácido glicurônico (Rf 0,34) em sua composição, como

esperado para xantanas produzidas por X. arboricola pv pruni (BORGES et al.,

2008; BORGES; VENDRUSCOLO, 2007; MOREIRA et al., 2001; KLAIC, 2010;

RODRIGUES, 2010; VENDRUSCOLO et al., 2000).

A composição qualitativa das xantanas foi semelhante. Diferenças

assinaláveis, entretanto, foram percebidas em relação ao tamanho e intensidade da

mancha relativa ao produto de degradação da glicose. As amostras desacetiladas e

os controles da cepa 106 (Xp 106 pH7 controle 45ºC e Xp 106 pH9 controle 45ºC)

tiveram manchas menores e menos intensas. Nessas amostras controle detectaram-

se os maiores teores de potássio (Tab. 7). Todas as xantanas apresentaram glicose

e manose como unidades de hexose dominantes, seguidas pelo ácido glicurônico. A

presença de ramnose diferencia a xantana de X. arboricola pv pruni da xantana

comercial produzida por X. campestris pv campestris (MOREIRA et al., 2001;

VENDRUSCOLO et al., 2000). As xantanas desacetiladas e os controles

aparentemente não diferiram das respectivas xantanas naturais (Figura 8).

76

Figura 8 – Cromatografia de camada delgada comparativa das xantanas: Xp 101 pH7 (1); Xp 101 pH9 (2); Xp 106 pH7 (3); Xp 106 pH9 (4); Xp 101 pH7 DESA (5); Xp 106 pH7 DESA (6); Xp 106 pH9 DESA (7); Xp 101 pH7 controle 45ºC (8); Xp 101 pH9 controle 45ºC (9); Xp 106 pH7 controle 45ºC (10); e Xp 106 pH9 controle 45ºC (11). Padrões: P1 – Manose (M) e ácido glicurônico (AG); P2 – Ramnose (R) e glicose (G). Sistema – sílica gel F254; eluente: clorofórmio:metanol:ácido acético:água (40:40:10:10 v/v/v/v); revelador: anisaldeído sulfúrico.

3.3.3.5 Reometria

Os valores de viscosidade das xantanas pruni está disposto na tabela 8. As

xantanas produzidas pelas duas cepas na condição de pH9 apresentaram valores

de viscosidade ligeiramente maiores dos que as produzidas em pH7.

Tabela 8 – Viscosidade (mPas) a 25ºC em diferentes taxas de deformação (s-1

), de soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 com e sem autodesacetilação.

Xantana Taxa de deformação (s

-1)

10 30 60 100 1000

Xp 101 pH7 1740 626 343 226 44

Xp 101 pH9 2100 732 371 234 37

Xp 106 pH7 1990 670 336 208 35

Xp 106 pH9 2340 785 396 255 40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 P1 P2

AG

M

B

R

G

77

Diversos autores têm relacionado as propriedades reológicas da xantana

com a sua composição química (BORGES et al., 2008; CADMUS et al., 1978;

CASAS; FLORES CANDIA; DECKWER,1999; SANTOS; GARCÍA-OCHOA, 2000;

MOREIRA et al. 2001, MOREIRA, 2002; SANDFORD et al.,1977), porém não existe

um consenso na literatura sobre a influência exercida pelos substituintes acetila e

piruvato no comportamento reológico do polímero.

Segundo Cadmus et al. (1978) e Sandford et al. (1977), o conteúdo de

piruvato pode ser considerado um indicador das propriedades das soluções de

xantana. De acordo com os autores, existe uma correlação direta entre o conteúdo

de piruvato e a viscosidade do polímero, que aumenta com o aumento de teor do

substituinte. Esse aumento na viscosidade foi explicado por Flores, Candia e

Deckwer (1999) que sugerem que xantanas com teor de piruvato superior a 3%

aumentam o grau de autoassociações de moléculas. Segundo os autores essas

associações são promovidas por interações apolares entre os grupos metílicos dos

substituintes pirúvicos.

Por outro lado, diversos autores concluíram em seus estudos que o grau de

piruvatação tem baixa ou nenhuma correlação com a capacidade viscosificante da

xantana (BORGES; BASTOS; VENDRUSCOLO, 2007; BORGES et al., 2009a;

BRADSHAW et al. 1983; ERTEN et al., 2014; TORRESTIANA; FUCIKOVSKY;

GALINDO, 1990). Erten e colaboradores (2014) avaliaram quatro xantanas, sendo

duas com a mesma concentração de piruvato (3,9%), uma com alta concentração

(6,5%) e outra com concentração mais baixa (2,2%). Segundo os autores, as

viscosidades intrínsecas das xantanas são independentes do teor de piruvato. Em

nosso estudo, as xantanas produzidas em pH 9 apresentaram menores teores de

piruvato (0,31 e 0,34%) e viscosidades ligeiramente superiores que as xantanas

produzidas em pH7, para ambas as cepas utilizadas.

Semelhante ao que ocorre em relação a influência de piruvato na

viscosidade da xantana, os estudos referentes à influência exercida pelos

substituintes acetila são controversos. Para muitos pesquisadores a remoção dos

grupos acetato da molécula causa alterações em suas propriedades reológicas, que

são melhoradas (PINTO; FURLAN; VENDRUSCOLO, 2011; SLONEKER; JEANES,

1962; SMITH; PACE, 1982). Já para outros (MCNEELY; KANG, 1973) o teor de

78

acetila tem pouco efeito na viscosidade das soluções. Santos, Casas e García-

Ochoa (2000) relacionaram alta viscosidade com alto teor de acetato.

Para investigar a influência do processo de desacetilação nas propriedades

reológicas das xantanas pruni realizou-se análises de viscosidade para a xantana

submetida às diferentes condições de tempo, temperatura e agente de

desacetilação. Como pode ser observado na figura 9, ocorreu uma pequena

diminuição na viscosidade das xantanas após o processo de desacetilação

termoquímica, independente da redução ou não do teor de acetila; isto indica que há

outros fatores envolvidos.

Figura 9 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01 a 1000s

-1) a 25ºC de

soluções aquosas (1% m/v) da xantana pruni Xp 106 pH7 natural e submetidas ao processo termoquímico com NaOH (A) e NH4OH (B).

A

B

79

O decréscimo na viscosidade parece estar relacionado, se não totalmente, ao

menos parcialmente, à dissolução e recuperação adicional, visto que, as amostras

controle, que passaram apenas por processo de aquecimento sem a presença de

base, tiveram redução na viscosidade (Figura 10) semelhante às xantanas

desacetiladas, porém essa diminuição foi mais pronunciada para a cepa 106. Essa

redução de viscosidade após dissolução e recuperação adicional já havia sido

observada em estudo anterior (KLAIC, 2010) e pode estar relacionada à perda de

moléculas poliméricas de menor tamanho, alterações na conformação da cadeia ou,

ainda, à diminuição no teor de sais.

80

Figura 10 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01 a 1000s

-1) a 25ºC de

soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni: Xp 101 pH7 natural, controle e desacetilada (A); Xp 101 pH9 natural e controle (B); Xp 106 pH7 natural, controle e desacetilada (C); Xp 106 pH9 natural, controle e desacetilada (D).

A

B

D

C

81

Bradshaw e colaboradores (1983) prepararam xantanas com vários teores de

acetil e de piruvato a partir de uma mesma amostra de xantana. Os pesquisadores

observaram em seu estudo que a desacetilação tem pequeno efeito na viscosidade

das soluções de xantana em taxas de cisalhamento de 8,8 – 88,3s-1. Também

observaram que a pseudoplasticidade ficou inalterada. Resultados semelhantes

foram encontrados por Callet, Milas e Rinaudo (1987), que não verificaram influência

dos teores de acetato e piruvato na viscosidade de soluções diluídas de xantana;

porém, segundo os autores, quando em altas concentrações, algumas diferenças

podem ocorrer devido a interações intermoleculares.

Comparando as xantanas de uma mesma cepa, em nosso estudo, as

xantanas naturalmente autodesacetiladas, produzidas em pH9, apresentaram

menores teores de acetila (Tabela 2) e maiores viscosidades; porém, apenas para a

cepa 101 ocorreu a autodesacetilação total nessa condição. A desacetilação pós-

fermentativa aparentemente não aumentou a viscosidade das xantanas modificadas

(Figura 10). Os parâmetros reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n)

das xantanas naturais, submetidas a desacetilação pós-fermentativa e respectivos

controles (Tabela 9) foram obtidos a partir dos resultados de taxa de deformação e

tensão de cisalhamento. Para xantana Xp 101 pH7, o processo de desacetilação

pós-fermentativa incrementou o índice de consistência do polímero modificado. Para

todas as demais xantanas houve diminuição nos valores de K após a desacetilação

termoquímica.

Segundo Flores Candia e Deckwer (1999), as soluções de xantana são

consideradas pseudoplásticas quando apresentam valores de n ≤ 1. A desacetilação

aumentou a pseudoplasticidade das xantanas pruni, sendo a xantana Xp 101 pH7

desacetilada a mais pseudoplástica. Tako e Nakamura (1984) investigaram as

propriedades de fluxo de soluções aquosas de xantana desacetilada. Eles sugeriram

que os grupos acetila contribuem para as interações intramoleculares e que a cadeia

lateral se torna mais flexível após desacetilação.

82

Tabela 9 – Parâmetros reológicos, índice de consistência (K) e índice de fluxo (n), para as soluções a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais, desacetiladas na condição ótima e respectivos controles.

o

Outra determinação importante é o comportamento viscoelástico da xantana

(STEFFE, 1996). De acordo com Steffe (1996), soluções que apresentam o módulo

elástico (G‟) maior que o módulo viscoso (G”) têm característica de gel verdadeiro e

forte. A desacetilação exerce pouco efeito sobre as propriedades viscoelásticas das

soluções de xantana (Figura 11).

Em nosso estudo, todas as xantanas naturais e modificadas por

desacetilação pós-fermentativa apresentaram essa característica, com valores

elevados para ambos os módulos. De maneira geral, a desacetilação reduziu o

módulo elástico para as xantanas pruni modificadas. O módulo elástico permaneceu

maior que o módulo viscoso em toda a faixa de frequência utilizada, indicando que a

solução de xantana tem baixa dependência da frequência para ambos os módulos.

Resultados semelhantes foram observados por Renou et al. (2013).

Xantana K n R2

Xp 101 pH7 5,680 0,3487 0,9998

Xp 101 pH9 6,685 0,3372 0,9998

Xp 106 pH7 6,533 0,3252 0,9998

Xp 106 pH9 7,133 03415 0,9998

Xp 101 pH7 DESA 7,407 0,2816 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 4,427 0,2884 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 3,011 0,3046 >0,9999

Xp 101 pH7 controle 45ºC 4,288 0,3140 >0,9999

Xp 101 pH9 controle 45ºC 5,030 0,3113 >0,9999

Xp 106 pH7 controle 45ºC 2,992 0,3356 >0,9999

Xp 106 pH9 controle 45ºC 3,715 0,3064 >0,9999

83

Figura 11 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC de soluções a 1% (m/v) das xantanas Xp 101 pH7 (A),

Xp 106 pH7 (B) e Xp 106 pH9 (C) naturais e desacetiladas, na frequência de 1 a 10Hz.

84

3.3.3.6 Análise térmica

A análise de DSC das xantanas pruni demostra suas características

endotérmicas. O termograma (Figura 12) mostra que as xantanas naturais

apresentaram picos endotérmicos em temperaturas próximas (168,29 – 170,18ºC),

com exceção da Xp 101 pH7, que apresentou o pico em temperatura mais baixa

(162,58ºC). Esse polímero também apresentou pico endotérmico mais largo, ou seja,

com ampla faixa de fusão, o que indica maior polidispersão. Todas as xantanas

pruni tiveram temperaturas de fusão elevadas, visto que a literatura reporta

temperaturas entre 90 e 120ºC (RAMASAMY et al., 2011; AHUJA; KUMAR; SINGH,

2012).

Figura 12 - Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas pruni naturais e desacetiladas após fermentação; na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

85

A desacetilação diminuiu a temperatura de fusão de todas as xantanas com

exceção da Xp 101 pH7, cujo pico endotérmico passou de 162,58ºC para 173ºC

após modificação por desacetilação termoquímica, porém, com diminuição da

temperatura de início de fusão. De acordo com Viebke (2004) os grupos acetila

tendem a estabilizar a forma ordenada da molécula de xantana, possivelmente pela

promoção de associações da cadeia lateral com a cadeia principal através de

ligações de hidrogênio; sendo assim, sua remoção diminui a temperatura de

transição ordem-desordem (Callet; Milas; Rinaudo, 1987) A desordem

conformacional do polímero leva a um forte decréscimo nas propriedades reológicas

da xantana (MORRIS et al., 1977), e, conforme observado, também decresceu sua

temperatura de fusão.

A curva termogravimétrica (Figura 13) representa a perda de massa em

decorrência da decomposição térmica das amostras de xantana naturais e

desacetiladas por processo pós-fermentativo termoquímico. Dentre as amostras a

Xp 106 pH7 DESA teve a maior labilidade, seguida pela Xp 106 pH7 natural. A

desacetilação teve diferentes efeitos sobre a estabilidade das diferentes xantanas.

Com exceção da Xp 106 pH9, as demais xantanas diminuíram sua estabilidade

térmica após desacetilação termoquímica, uma vez que tiveram maior perda de

massa no mesmo intervalo de temperatura. Diferenças no comportamento térmico

de polissacarídeos não ocorrem apenas devido a diferenças nos grupos funcionais

presentes, mas também em função de diferenças na estrutura do polímero

(ZOHURIAAN; SHOKROLAHI, 2004), massa molar e composição química

(NITSCHKE; THOMAS, 1995), principalmente em relação ao teor de sais ou

contraíons.

86

Figura 13 - Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni, naturais e desacetiladas termoquimicamente após fermentação, e seus respectivos percentuais de perda de massa na faixa de temperatura de 30 a 350ºC, com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

Um fator que pode ter contribuído para a diminuição da estabilidade desses

polímeros é a redução no teor de sais (Tabela 7), que ocorrem após o processo de

desacetilação pós-fermentativa. A conformação ordenada da goma xantana é

estabilizada por sais e se acredita que esta conformação ordenada seja responsável

pela estabilidade térmica do polímero (BORGES et al. 2009b; KIERULF;

SUTHERLAND, 1988; SUTHERLAND, 2001b; XIE; LECOURTIER, 1992).

A maioria das modificações nas características reológicas e térmicas

ocorridas pelo processo de desacetilação termoquímica pós-fermentativa foram

negativas; entretanto o mesmo pode ser considerado uma modificação química

importante na xantana, uma vez que, permite ou facilita outras modificações

químicas posteriores, como a reticulação. Ainda, segundo Shatwell e Sutherland

(1991), a desacetilação aumenta a força de interação física da goma xantana com

outras gomas, do tipo mananas, como por exemplo a goma guar e locusta,

permitindo a obtenção de misturas ou blendas com propriedades de gel. (LOPES et

al., 1992; TAKO; NAKAMURA, 1985; TAKO; NAKAMURA, 1986).

87

3.4 Conclusões

A autodesacetilação da xantana pruni é possível, porém menos eficiente que

o método termoquímico pós-fermentativo proposto. Embora mais simples e

econômica, a autodesacetilação parece ser cepa dependente, uma vez que, apenas

para cepa 101, a fermentação em pH9 resultou em uma xantana com grau máximo

de desacetilação. A força da base utilizada no processo termoquímico de

desacetilação pós-fermentativa influencia positivamente o grau de remoção dos

ligantes acetila. O tempo e a temperatura são significantes apenas para a base

fraca, NH4OH. A condição de 3h de reação com NaOH a 45ºC foi selecionada como

a condição ótima de desacetilação. Esta condição emprega o menor tempo e a

menor temperatura em estudo, gerando maior economia de energia e

proporcionando maior rapidez ao processo.

A desacetilação pós-fermentativa não aumentou a viscosidade das xantanas

pruni e diminuiu sua estabilidade térmica. Já a autodesacetilação, total ou parcial,

aumentou a viscosidade das xantanas produzidas. O controle do grau de

substituição na xantana por grupos acetato, por autodesacetilação e por

desacetilação termoquímica pós-fermentativa, é simples e eficiente, e pode resultar

em xantanas compatíveis com outras gomas e componentes do produto onde serão

utilizadas.

88

4 Modificação química de xantana pruni por reticulação parcial mediada por

glutaraldeído: efeito da desacetilação e parâmetros reacionais

4.1 Introdução

Com a modificação química de polissacarídeos busca-se alterar

controladamente suas propriedades e conferir-lhes aplicações mais amplas. Elevar a

qualidade de um biopolímero, como a xantana, através de modificações químicas

pode ser mais simples e eficaz do que produzir um novo polímero (KLAIC, 2010). É

possível modificar quimicamente a estrutura da molécula da xantana e,

consequentemente, suas propriedades (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER,

2002). Alguns autores vêm estudando a reticulação em xantana (BEJENARIU et al.,

2008; BEJENARIU et al., 2009; BEPPU et al., 2007; BUENO et al., 2013) e outros

polímeros (GLIKO-KABIR; PENHASI; RUBENSTEIN, 1999; POON; WILSON;

HEADLEY, 2014; SHALVIRI et al., 2010). A interligação ou entrecruzamento de

cadeias poliméricas, forma uma estrutura “reticulada”, cujo grau de reticulação é

dependente da concentração do agente reticulante utilizado e, principalmente, da

temperatura de preparo da amostra (SANDOLO et al., 2009). A reticulação é

aplicada a polissacarídeos para alterar suas propriedades de intumescimento e

preparar hidrogéis (LINDBLAD; ALBERTSSON, 2004), tornando o material versátil

(SANDOLO et al., 2009) e altamente resistente à temperatura (GLIKO-KABIR;

PENHASI; RUBENSTEIN, 1999; NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000).

Diferentes agentes de reticulação têm sido utilizados objetivando modificar a

estrutura da xantana. Dentre esses podemos citar o formaldeído (SMITH;

PACE,1982), ácido adípico-di-hidrazida (BEJENARIU et al., 2008), trimetafosfato de

89

sódio cíclico (STMP) (BEJENARIU et al., 2009) e o ácido cítrico (BUENO et al.,

2013). A reticulação de outros polissacarídeos, como goma guar e quitosana, com

glutaraldeído, ou 1,5-pentanodial, também tem sido reportada (BEPPU et al., 2007;

GENTA et al., 1998; LINDBLAD; ALBERTSSON, 2004; POON; WILSON; HEADLEY,

2014; PRATT; WILSON; KOZINSKI, 2013; SANDOLO et al., 2009; TAHTAT et al.,

2013; VIKHOREVA; SHABLYUKOVA; KILL‟DEEVA, 2001; ZHOU et al., 2014). O

glutaraldeído apresenta baixa citotoxicidade em concentrações de até 0,5mol/L,

sendo considerado não carcinogênico (ZHOU et al., 2014). Devido a essa

característica, tem sido avaliado como potencial reticulante em produtos

farmacêuticos (TAHTAT et al., 2013).

Neste estudo objetivou-se avaliar a influência do teor de acetilação do

polímero e dos parâmetros do processo (concentração de reticulante, tempo e

temperatura) na reticulação mediada por glutaraldeído, e a influência da reticulação

nas propriedades reológicas e térmicas da xantana pruni das cepas 101 e 106.

4.2 Material e métodos

4.2.1 Xantanas

Neste estudo utilizou-se as xantanas produzidas pelas cepas 101 e 106 de X.

arboricola pv pruni em duas condições, pH 7 e pH 9, conforme descrito no item

3.2.2; e as xantanas modificadas pela condição ótima de desacetilação selecionada

no item 3.3.2. As xantanas utilizadas foram previamente caracterizadas quanto a

teor de acetil, conforme descrito no item 3.2.4.1.

90

4.2.2 Reticulação

O estudo da modificação química da xantana pruni por reticulação foi

realizado em três fases, sendo a última subdividida em dois experimentos.

Compreenderam a avaliação da influência da concentração do agente reticulante, do

tempo e da temperatura de reação sobre xantanas pruni com diferentes teores de

acetila. Para tanto, utilizou-se o reticulante glutaraldeído (GLU), disponível em

solução a 50% (Vetec®). As amostras resultantes de todos os tratamentos

receberam junto à sua denominação a concentração do agente reticulante, a

temperatura e o tempo de reação empregados na reticulação. Ex.: Xp 101 pH9

0,05% GLU 25ºC 2h.

Na primeira fase estudou-se o efeito do tempo de reação e concentração do

reticulante na viscosidade da xantana pruni natural autodesacetilada produzida pela

cepa 101 de X. arboricola pv pruni em pH9 (Xp 101 pH9), escolhida pelo seu baixo

teor de acetilação. A xantana foi solubilizada na proporção de 0,5% (m/v), em

frascos Erlenmeyers de 250mL. Utilizou-se diferentes concentrações do reticulante

glutaraldeído em água ultra pura, sendo: 0,05; 0,1; 0,5 e 1% (v/v). Conduziram-se as

reações em incubador orbital (B. Braun Biotech International®, modelo Certomat BS-

1) a 25ºC, sob agitação de 200rpm, durante 0,5; 1 e 2h. Após, recuperou-se as

xantanas pela adição de etanol 96% na proporção de quatro volumes de etanol para

cada volume de solução. As xantanas modificadas foram secas em estufa de

secagem (Fabbe®) a 56ºC até peso constante e, em seguida, trituradas até a

granulometria de 60 – 150 mesh. Os tratamentos com glutaraldeído resultaram em

doze amostras de xantanas modificadas. Avaliou-se a viscosidade de todas as

amostras a 25ºC, conforme descrito a seguir no item 4.2.3. Com base nos

resultados, selecionou-se 2h como melhor tempo. Para as amostras obtidas nesse

tempo e com a maior e a menor concentração do agente reticulante, analisou-se o

ponto de fusão por DSC, e resistência térmica por TGA/DTG conforme descrito no

item 4.2.4.

A segunda fase foi realizada com o objetivo de selecionar a melhor

concentração de reticulante. Utilizou-se o tempo e as concentrações selecionadas

anteriormente, 2h e 0,05% e 1% de reticulante, para as demais xantanas naturais

91

com (Xp 106 pH9) e sem autodesacetilação (Xp 101 pH7 e Xp 106 pH7), e

desacetiladas após fermentação na condição ótima. Todas as xantanas resultantes

tiveram a viscosidade a 25ºC analisadas. A partir dos resultados de viscosidade

selecionou-se a melhor concentração, 1% de reticulante, para o tempo utilizado.

A terceira fase foi conduzida utilizando-se todas as xantanas naturais e

desacetiladas após fermentação na condição ótima, com o objetivo de determinar-se

a melhor temperatura para o processo. Realizou-se a reticulação com as condições

de concentração e tempo selecionadas (1% de reticulante e 2h de reação), nas

temperaturas de 45, 65 e 85ºC. As xantanas que apresentaram os melhores

resultados de viscosidade a 25ºC também foram submetidas à reação à 75 e 100ºC.

As amostras de xantana Xp 106 pH7 desacetiladas submetidas à reticulação nas

temperaturas de 25, 45, 65 e 85ºC foram analisadas termicamente por DSC.

Os resultados permitiram a seleção das amostras Xp 106 pH7 e a Xp 106 pH9

desacetiladas submetidas à reticulação a 45ºC. Para essas xantanas realizou-se

análises reométricas determinando-se os valores de K e n e viscoelasticidade

(módulos elástico e viscoso), análises térmicas de DSC, TGA/DTG e sua derivada e

espectroscopia de infravermelho.

Em cada processo reacional fez-se uma reação controle para cada xantana

utilizada, conduzindo-se o aquecimento da amostra em água ultra pura sem a

presença de reticulante, denominando-se os polímeros resultantes após o

tratamento térmico com o respectivo nome do polímero, temperatura e a terminação

controle. Ex.: Xp 101 pH9 autodesa 25ºC RETcontrole.

4.2.3 Rendimento da síntese das xantanas reticuladas

O rendimento da síntese das xantanas reticuladas de melhor resposta foi

calculado de acordo com a equação 3, proposta por Bejenariu et al. (2009):

R (%) = ms x 100 (3) mi

92

onde R(%) é o rendimento da reação, mi é a quantidade de xantana introduzida

inicialmente e ms é a quantidade de xantana seca após a precipitação da xantana

modificada. Para fins de comparação, determinou-se o rendimento da síntese dos

polímeros naturais reticulados, dos desacetilados e dos controles a 45ºC.

4.2.4 Reometria

Preparou-se as soluções de xantana pruni de acordo com o item 3.2.4.5.

Analisou-se todas as amostras submetidas à reticulação através de ensaios

rotacionais em reômetro (Haake® modelo RS150). Determinou-se a viscosidade em

função da concentração por meio de curvas de tensão de cisalhamento versus taxa

de deformação a 25ºC, utilizando geometria de cone, com 35mm de diâmetro e

ângulo de 1º, e placa com taxa de cisalhamento de 0,01-1000s-1, durante 400s e 100

pontos de aquisição. Os parâmetros reológicos, índice de consistência (K) e o índice

de fluxo (n) foram obtidos pelo ajuste do modelo de Ostwald-de-Waelle.

Adicionalmente, foram realizados ensaios oscilatórios (viscosidade versus

elasticidade) para determinar as propriedades viscoelásticas lineares das xantanas

de melhor resultado na reticulação, sendo medidos os módulos elástico G´(ω) e

viscoso G” (ω) a 25ºC. O estresse imposto durante as análises foi escolhido dentro

do regime de resposta linear (0,5 Pa de tensão e frequência variando de 1 a 10 Hz)

conforme descrito no item 3.2.4.5.

As xantanas de melhor resultado na reticulação também tiveram a

viscosidade e a viscoelasticidade mensuradas nas temperaturas de 45 e 65ºC. Para

retardar a evaporação da água foi utilizada uma fina camada de óleo newtoniano ao

redor do cone recobrindo a superfície da amostra exposta.

93

4.2.5 Análise térmica

As análises termogravimétricas (TGA/DTG) foram feitas em equipamento

Shimadzu® DTG-60 e as de calorimetria exploratória diferencial (DSC) foram

conduzidas em equipamento Shimadzu® DSC-60, de acordo com o descrito no item

3.2.5.

4.2.6 Espectroscopia de infravermelho

Os espectros de infravermelho foram obtidos conforme descrito no item

3.2.4.2. Analisou-se o reticulante glutaraldeído e as xantanas que apresentaram as

melhores viscosidades após a reação de reticulação.

4.2.7 Grau de intumescimento e teor de absorção de água

A determinação do grau de intumescimento foi realizada para avaliar a

capacidade de hidratação dos polímeros naturais e reticulados. Para tanto preparou-

se pequenas esferas de xantana, umedecendo 0,1g de pó para moldá-lo. Em

seguida as esferas foram secas em estufa a 56ºC até peso constante e, depois,

imersas em 40mL de água ultra pura à temperatura ambiente, onde permaneceram

por 12h. Após transcorrido o período de intumescimento até o equilíbrio, as esferas

intumescidas foram cuidadosamente retiradas da água, colocadas sobre papel filtro,

onde permaneceram por aproximadamente 5 minutos para remoção do excesso de

água, e em seguida foram pesadas. As esferas intumescidas foram novamente

secas em estufa a 56ºC até peso constante. Os ensaios foram realizados em

triplicata. A capacidade de absorção de água ou grau de intumescimento (GI) das

amostras naturais e reticuladas e o teor de água nas amostras intumescidas foram

calculados de acordo com as equações 1 e 2, respectivamente, onde:

94

GI = mXI – mXS (1) mXS

Teor de água (%) = mXI – mXS x 100 (2) mXI

mXI é a massa do polímero intumescido e mXS é a massa do polímero intumescido

seco (BUENO et al., 2013; CURY et al., 2009; ENKE et al., 2014). A capacidade de

absorção de água é dada em gramas de água absorvida por gramas de amostra

(ENKE et al., 2014).

4.2.8 Teste de dissolução

Preparam-se filmes de 6 cm de diâmetro a partir da secagem em estufa a

56ºC por 24h de 20mL de solução das amostras de xantana a 0,5% em água ultra

pura. Os filmes foram previamente pesados e, em seguida, submetidos à agitação

de 100 rpm durante 30 minutos em 40mL de água ultra pura a 60ºC. Trancorrido

esse período, os filmes restantes foram separados por centrifugação, secos em

estufa a 56ºC e novamente pesados para verificar o percentual de dissolução de

cada amostra.

4.3 Resultados e discussão

4.3.1 Influência da concentração de agente reticulante e do tempo de reação na

viscosidade e resistência térmica das xantanas reticuladas

Procedeu-se as análises de viscosidade da xantana Xp 101 pH9

autodesacetilada e das doze amostras resultantes dos tratamentos de reticulação

95

com diferentes concentrações do reticulante GLU, em diferentes tempos. A partir

dos resultados de taxa de deformação e tensão de cisalhamento obtiveram-se as

curvas de viscosidade versus taxa de deformação bem como os parâmetros

reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n). Os resultados dos

parâmetros K e n bem como a viscosidade na taxa de cisalhamento de

aproximadamente 30s-1 estão dispostos na tabela 10. Esta taxa de cisalhamento foi

selecionada por ser importante na indústria de alimentos, em virtude de processos

de mistura e bombeamento (KATZBAUER, 1998).

Tabela 10 – Viscosidade a 30 s-1

e parâmetros reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n) obtidos das curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (s

-1), a 25ºC, de soluções

aquosas a 1% (m/v) da xantana pruni Xp 101 pH9 natural e submetida à reticulação com diferentes concentrações de GLU e três tempos de reação.

R2= fator de correlação

Segundo Lefebvre e Doublier (2004), a reologia nos permite investigar a

estrutura dos sistemas em diferentes escalas, sendo considerada uma técnica

especialmente útil para monitorar e investigar mudanças estruturais nos sistemas,

como a gelificação. A resistência de um fluido diante do escoamento é dada pelo

índice de consistência (K), ou seja, quanto maior o valor de K maior é a sua

Xantana η (mPas) K n R2

Xp 101 pH9 autodesa 732 6,68 0,34 >0,9999

Xp 101 pH9 25ºC controle 610 6,14 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 0,05% GLU 25ºC 0,5h 831 7,84 0,32 >0,9999

Xp 101 pH9 0,05% GLU 25ºC 1h 791 7,61 0,33 >0,9999

Xp 101 pH9 0,05% GLU 25ºC 2h 817 7,42 0,34 >0,9999

Xp 101 pH9 0,1% GLU 25ºC 0,5h 845 7,78 0,34 >0,9999

Xp 101 pH9 0,1% GLU 25ºC 1h 695 7,35 0,30 >0,9999

Xp 101 pH9 0,1% GLU 25ºC 2h 890 7,77 0,35 >0,9999

Xp 101 pH9 0,5% GLU 25ºC 0,5h 646 6,59 0,32 >0,9999

Xp 101 pH9 0,5% GLU 25ºC 1h 651 6,91 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 0,5% GLU 25ºC 2h 670 6,77 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 1% GLU 25ºC 0,5h 663 6,82 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 1% GLU 25ºC 1h 683 6,99 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 1% GLU 25ºC 2h 698 7,04 0,31 >0,9999

96

viscosidade. Xantanas com valores de n ≤ 1 são consideradas soluções

pseudoplásticas (FLORES CANDIA; DECKWER, 1999; GARCÍA-OCHOA et al,

2000). Segundo Flores Candia e Deckwer (1999), é conveniente aplicar o modelo

matemático de ajuste da curva de Ostwald-de-Waelle para avaliar o comportamento

reológico de soluções de xantana. Tal modelo considera a totalidade das curvas

para o cálculo dos parâmetros K e n. Todas as condições de reticulação utilizadas

para xantana Xp 101 pH9 ocasionaram alterações na viscosidade dos polímeros.

Verificou-se aumento de viscosidade quando utilizou-se 0,05% e 0,1% de GLU em

todos os tempos testados. Todas as demais condições resultaram em polímeros

com viscosidade semelhante à xantana natural mas superiores à respectiva xantana

controle, que teve redução de viscosidade. De maneira geral, os parâmetros K e n

foram bastante próximos, mas os maiores valores de viscosidade na região entre 10

e 100 s-1, representados na tabela 10 pelo valor em 30 s-1, foram alcançados com o

tempo de 2h de reação.

Para verificar a influência do processo na resistência térmica selecionou-se as

xantanas modificadas pela menor e maior concentração de reticulante (0,05 e 1%)

durante o melhor tempo de reação (2h) para análise de TGA/DTG e DSC. A análise

de DSC nos fornece as temperaturas de fusão e de cristalização, enquanto que a

análise termogravimétrica (TGA) nos permite definir faixas de temperatura nas quais

os produtos podem ser expostos, sem que haja degradação, ou seja, sem

comprometer a estrutura do material (ASTM, 2013). Segundo Wilson e Xue (2013) a

caracterização de polímeros por TGA traz informações sobre sua estabilidade

térmica e nível de reticulação. Para a maioria das aplicações, é importante conhecer

a estabilidade térmica do material a ser utilizado (IQBAL et al., 2013).

Na figura 14 estão dispostas as curvas de DSC das xantanas selecionadas.

Todas as amostras tiveram picos endotérmicos únicos e estreitos, dentro da faixa

citada para xantana (FARIA et.al 2011). Pode ser observado um pequeno aumento

no ponto de fusão da xantana, submetida à reação mais extrema (2h com 1% de

reticulante), ao passo que a xantana tratada na condição mais branda, com a menor

concentração de reticulante (2h com 0,05% GLU) teve redução na temperatura de

fusão, comparada à xantana natural. O tratamento realizado na condição com menor

concentração de reticulante teve, portanto, efeito similar ao tratamento controle, sem

utilização de reticulante.

97

Figura 14 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) da xantana Xp 101 pH9 natural e

submetida à reticulação durante 2h com concentrações de glutaraldeído de 0,05 e 1%, e respectivo controle, a 25ºC, na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

Todas as amostras tiveram picos endotérmicos únicos e estreitos, dentro da

faixa citada para xantana ( FARIA et al., 2011).

As curvas termogravimétricas de TGA-DTA (Figura 15) ilustram o mecanismo

da decomposição térmica das amostras de xantana. A primeira perda de massa

associada ao pico endotérmico (30 a 130ºC) pode ser atribuída a desidratação da

amostra (FARIA et al., 2011). A análise das curvas de TGA e sua derivativa

(TG/DTG) mostram que a taxa máxima de decomposição, para essa primeira

degradação térmica, ocorre, aproximadamente, a 50ºC para xantana Xp 101 pH9

natural, com 13,5% de perda de massa, a 54ºC para Xp 101 pH9 controle 25ºC, com

perda de 12%, e em torno de 52ºC para ambas as xantanas reticuladas, com perdas

de 13 e 14% para menor e maior concentração de agente reticulante,

respectivamente.

O segundo processo de degradação (210 a 350ºC) corresponde à perda de

massa de 34 a 41%, sendo a menor perda a da xantana natural. As demais tiveram

98

perdas semelhantes. A estabilidade pode ser verificada principalmente pela

temperatura de início de degradação, ou seja, quanto maior a temperatura de onset,

maior a estabilidade do polímero. A decomposição das amostras ocorreu em

temperaturas de onset de 258,64ºC para Xp 101 pH9 autodesa natural, 259,8ºC

para o controle e 262,03ºC e 268,42ºC para as xantanas Xp 101 pH9 autodesa

0,05% GLU 25ºC 2h e Xp 101 pH9 autodesa 1% GLU 25ºC 2h, respectivamente.

Esses valores mostram um aumento na estabilidade térmica do polímero pela

reticulação, que foi mais eficiente na maior concentração de agente reticulante em

estudo.

Figura 15 - Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) da xantana Xp 101 pH9 natural e submetida à reticulação durante 2h com concentrações de glutaraldeído de 0,05 e 1%, e respectivo controle, a 25ºC, na faixa de temperatura de 30 – 350ºC e taxa de aquecimento de 10ºC/min.

99

Está bem estabelecido na literatura que a concentração do agente reticulante

influencia no nível de reticulação obtido (BEJENARIU et al., 2009; GLIKO-KABIR;

PENHASI; RUBENSTEIN, 1999; SANDOLO et al., 2009; SHALVIRI et al., 2010).

Gliko-Kabir, Penhasi e Rubenstein (1999) estudaram reticulação da goma guar

utilizando glutaraldeído, que, segundo os autores, provoca alterações na estrutura

do polímero. Em seu estudo observaram que a quantidade de GLU utilizada

influenciou a estabilidade térmica do polímero. Os autores utilizaram o polímero a

0,5% e 0,1; 1, 3 e 5 equivalentes de glutaraldeído, verificando que o aumento da

quantidade de GLU aumenta a estabilidade térmica da goma guar, porém um

excesso, acima de 3 equivalentes de reticulante, reduz a estabilidade do produto.

Sandolo et al. (2009) corroboram com esses resultados; em sua pesquisa

verificaram que controlando as condições experimentais, como a quantidade de

reticulante, obtem-se um material interessante por sua versatilidade, pois permite a

preparação de diferentes tipos de hidrogéis, com um número diferente de ligações

cruzadas, e, consequentemente, com um tamanho de poros diferentes e diferentes

aplicações.

Tendo em vista que a menor concentração de reticulante em estudo (0,05%),

gerou as maiores viscosidades, e a maior concentração (1%), proporcionou aumento

na estabilidade térmica, selecionou-se as duas concentrações para aplicar nas

demais xantanas, conduzindo a reação por 2h à 25ºC. Para fins de comparação, as

viscosidades de todas as xantanas utilizadas estão dispostas na tabela 11 e na

figura 16 e os resultados dos tratamentos na tabela 12 e figura 17.

100

Tabela 11 – Teor de acetila (% p/p), índice de consistência (K), índice de fluxo (n) e coeficiente de correlação obtidos das curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (s

-1) a 25ºC, de

soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais e desacetiladas na condição ótima.

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo

teste de Tukey (p<0,05). *Desacetilação com NaOH durante 3h a 45ºC. **Produzida em pH9,

naturalmente autodesacetilada. R2= fator de correlação.

Figura 16 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s

-1) a 25ºC de

soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 101 e Xp 106 naturais e desacetiladas na condição ótima.

Xantana Teor de acetila

% p/p

K n R2

Xp 101 pH7 2,37c ± 0,06 5,68 0,35 0,9998

Xp 101 pH7 DESA* 0,34d ± 0,02 7,41 0,28 >0,9999

Xp 101 pH9 AUTODESA** 0,28d ± 0,02 6,68 0,34 0,9998

Xp 106 pH7 4,09a ± 0,04 6,53 0,32 0,9998

Xp 106 pH7 DESA* 0,26d ± 0,03 4,43 0,29 >0,9999

Xp 106 pH9 AUTODESA** 2,65b ± 0,05 7,13 0,34 0,9998

Xp 106 pH9 DESA* 0,23d ± 0,03 3,01 0,30 >0,9999

101

Tabela 12 – Parâmetros reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo (n) obtidos das curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (s

-1) a 25ºC, de soluções aquosas a 1% (m/v) das

xantanas pruni naturais e desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 0,05 e 1% durante 2h a 25ºC, e respectivos controles.


Xantana K n R2

Xp 101 pH7 0,05% GLU 25ºC 2h 5,93 0,31 >0,9999

Xp 101 pH7 1% GLU 25ºC 2h 8,92 0,34 >0,9999

Xp 101 pH7 25ºC controle 5,71 0,30 >0,9999

Xp 101 pH7 DESA 0,05% GLU 25ºC 2h 4,88 0,30 >0,9999

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 25ºC 2h 8,73 0,35 >0,9999

Xp 101 pH7 DESA 25ºC controle 3,38 0,29 >0,9999

Xp 101 pH9 AUTODESA 0,05% GLU 25ºC 2h 7,42 0,34 >0,9999

Xp 101 pH9 AUTODESA 1% GLU 25ºC 2h 7,04 0,31 >0,9999

Xp 101 pH9 AUTODESA 25ºC controle 6,14 0,31 >0,9999

Xp 106 pH7 0,05% GLU 25ºC 2h 3,64 0,33 0,9998

Xp 106 pH7 1% GLU 25ºC 2h 5,53 0,33 >0,9999

Xp 106 pH7 25ºC controle 3,27 0,32 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 0,05% GLU 25ºC 2h 4,51 0,28 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 25ºC 2h 10,34 0,34 >0,9999


Xp 106 pH9 AUTODESA 0,05% GLU 25ºC 2h 3,64 0,31 >0,9999

Xp 106 pH9 AUTODESA 1% GLU 25ºC 2h 5,38 0,33 >0,9999

Xp 106 pH9 AUTODESA 25ºC controle 6,17 0,29 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 0,05% GLU 25ºC 2h 5,20 0,29 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 25ºC 2h 11,38 0,36 >0,9999


102

Figura 17 – Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s-1

) a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni 101 pH7 (A), 101 pH9 (B), 106 pH7 (C) e 106 pH9 (D) naturais e desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 0,05 e 1% durante 2h a 25ºC, e respectivos controles.

A reticulação favoreceu a viscosidade para as xantanas Xp 106 pH7 e Xp 106

pH9 autodesa, para as quais a desacetilação foi prejudicial à viscosidade. Para as

demais causou pouco ou nenhum favorecimento. Para todas as xantanas em estudo

observou-se viscosidades superiores aos respectivos controles após a reticulação,

com exceção da Xp 106 pH9 autodesa. Ao utilizar a menor concentração de

reticulante (GLU 0,05%), todas as xantanas apresentaram diminuição na

viscosidade quando comparadas às xantanas originais utilizadas, sendo elas

naturais ou desacetiladas, com exceção da Xp 106 pH9 DESA, para qual observou-

se aumento na viscosidade. Usando a maior concentração (GLU 1%), ocorreu um

103

incremento na viscosidade das xantanas, com exceção da Xp 106 pH9 autodesa e

da Xp 106 pH7 natural (até 100 s-1). Levando em consideração os resultados

obtidos, selecionou-se a concentração de 1% de GLU para dar sequência ao estudo

da influência dos parâmetros de reação de reticulação nas propriedades da xantana

pruni.

4.3.2 Influência da xantana e da temperatura da reação na viscosidade e

resistência térmica das xantanas reticuladas

Na fase 3, realizou-se novamente os tratamentos com GLU na concentração

e tempo selecionados (1%, 2h) na fase 2, avaliando-se a influência da temperatura

de reação de reticulação na viscosidade das xantanas. Os resultados obtidos para

as reações conduzidas a 45, 65 e 85ºC são apresentados na tabela 13. Para fins de

comparação, as viscosidades das xantanas controles nas três temperaturas e o

percentual de redução também foram calculados.

104



xantanas pruni naturais e desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em três temperaturas e seus respectivos controles.

*% de redução em relação à xantana natural. R2 = fator de correlação.

Xantana K n R2 Respectivas xantanas controles

K (% redução)* n R2

Xp 101 pH7 5,68 0,35 0,9998 ---- ---- ----

Xp 101 pH7 1% GLU 45ºC 2h 10,68 0,33 >0,9999 4,29 (24%) 0,31 >0,9999

Xp 101 pH7 1% GLU 65ºC 2h 8,86 0,37 >0,9999 3,84 (32%) 0,26 >0,9999

Xp 101 pH7 1% GLU 85ºC 2h 7,33 0,30 >0,9999 3,47 (39%) 030 0,9998

Xp 101 pH7 DESA 7,41 0,28 >0,9999 ---- ---- ----

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h 11,10 0,34 >0,9999 3,28 (56%) 0,29 >0,9999

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 65ºC 2h 7,23 0,33 >0,9999 3,52 (47%) 0,29 0,9998

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 85ºC 2h 11,60 0,35 >0,9999 3,22 (56%) 0,29 >0,9999

Xp 101 pH9 AUTODESA 6,68 0,34 0,9998 ---- ---- ----

Xp 101 pH9 AUTODESA 1% GLU 45ºC 2h 10,15 0,33 >0,9999 5,03 (25%) 0,31 >0,9999


Xp 101 pH9 AUTODESA 1% GLU 85ºC 2h 7,69 0,31 >0,9999 4,19 (37%) 0,33 0,9998

Xp 106 pH7 6,53 0,32 0,9998 ---- ---- ----

Xp 106 pH7 1% GLU 45ºC 2h 7,95 0,36 >0,9999 3,00 (54%) 0,33 >0,9999

Xp 106 pH7 1% GLU 65ºC 2h 5,75 0,35 >0,9999 3,53 (46%) 0,32 >0,9999

Xp 106 pH7 1% GLU 85ºC 2h 4,33 0,31 >0,9999 3,22 (51%) 0,26 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 4,43 0,29 >0,9999 ---- ---- ----

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h 18,83 0,35 >0,9999 3,61 (19%) 0,31 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 65ºC 2h 8,25 0,35 >0,9999 4,07 (8%) 0,29 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 85ºC 2h 12,37 0,34 >0,9999 3,48 (21%) 0,29 >0,9999

Xp 106 pH9 AUTODESA 7,13 0,34 0,9998 ---- ---- ----


Xp 106 pH9 AUTODESA 1% GLU 65ºC 2h 4,71 0,33 >0,9999 3,55 (50%) 0,32 0,9998


Xp 106 pH9 DESA 3,01 0,30 >0,9999 ---- ---- ----

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h 26,11 0,33 >0,9999 3,63 (--) 0,29 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 65ºC 2h 4,26 0,34 >0,9999 3,53 (--) 0,30 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 85ºC 2h 12,83 0,34 >0,9999 3,42 (--) 0,28 >0,9999

105


) a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni 101 pH7 (A), 101 pH9 (B), 106 pH7 (C) e 106 pH9 (D) naturais e desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em três temperaturas.

A temperatura a que foram submetidas as xantanas controle em solução

influenciou suas viscosidades posteriormente. De modo geral, a temperatura de

65ºC causou a menor redução e 85ºC e 45ºC as maiores nessa ordem.

A modificação nas propriedades da solução das moléculas de xantana pode

estar associada com a transição de ordem-desordem induzida pela temperatura

(CAPRON; BRIGAND; MULLER, 1997). A temperatura afeta a viscosidade e

influencia a conformação molecular e a estrutura ordenada. Segundo Diaz (2002),

maiores viscosidades podem ser alcançadas utilizando-se aquecimento durante o

preparo das soluções.

106

Ocorreu diminuição na viscosidade para todas as xantanas controle, com

exceção da Xp 106 pH9 desacetilada, cujas viscosidades ficaram ligeiramente

superiores à da xantana original, porém muito menores que as xantanas reticuladas

tratadas com GLU a 1%. A diminuição na viscosidade está provavelmente

relacionada a perda de moléculas de pequena massa molecular, semelhantemente

ao ocorrido para os controles da desacetilação. Não foi verificada relação entre as

viscosidades apresentadas pelas xantanas reticuladas e seus respectivos controles.

Com exceção da xantana pruni Xp 106 pH7 em 85ºC, todos os tratamentos

resultaram em incremento na viscosidade. Os melhores resultados foram alcançados

pela reação em 45ºC para todas as xantanas, exceto para Xp 101 pH7 desacetilada,

a qual apresentou os maiores valores de K em 85ºC. Todas as xantanas

desacetiladas após fermentação tiveram menor viscosidade quando submetidas ao

tratamento de reticulação a 65ºC, sendo verificadas as maiores viscosidades para as

amostras reticuladas a 45 e 85ºC. Em função disso, realizou-se novas reações de

reticulação em temperaturas intermediária (75ºC) e superior (100ºC) nesses

polímeros, mantendo-se as demais condições anteriores (1% de GLU por 2h).

Uma possível explicação para obtenção de melhores resultados de

reticulação a 45ºC pode estar associada à transição conformacional que a xantana

pode sofrer. A influência da temperatura de reticulação na viscosidade das xantanas

reticuladas ficou bastante evidente. A molécula de xantana passa para um estado de

conformação desordenada quando a solução aquosa é submetida ao aquecimento

acima da temperatura de transição conformacional, que gira em torno de 40 - 50ºC

(GULREZ et al.,2012; MILAS; RINAUDO, 1986; MILAS; RINAUDO, 1979; MORRIS

et al., 1977; NORTON et al., 1984), dependendo da força iônica do meio (VIEBKE;

WILLIAMS, 2000) e da composição química do polímero, principalmente

substituintes acetila e piruvato (SMITH et al., 1981; SUTHERLAND, 2001b). A

conformação molecular, massa molecular e sua distribuição e as interações

intramoleculares e intermoleculares influenciam diretamente à viscosidade de um

polímero (LEFEBVRE; DOUBLIER; 2004). Alterações na conformação levam a

alterações nas propriedades reológicas observadas em nosso estudo para os

polímeros reticulados em diferentes temperaturas. Os resultados estão expostos na

tabela 14 e figura 19.

107



xantanas Xp 101 pH7 e Xp 106 pH7 e pH9 desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h a 75 e 100ºC.


Figura 19 – Viscosidade (mPas) a 25ºC e taxa de deformação de 100s-1

de soluções aquosas a 1% (m/v) das xantanas Xp 101 pH7 e Xp 106 pH7 e pH9 desacetiladas submetidas à reticulação com GLU a 1% durante 2h em diferentes temperaturas.

Xantana K n R2

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 75ºC 2h 5,27 0,33 >0,9999

Xp 101 pH7 DESA 1% GLU 100ºC 2h 6,84 0,35 >0,9999


Xp 101 pH7 DESA 100ºC controle 2,15 0,36 0,9996

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 75ºC 2h 9,77 0,36 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 100ºC 2h 11,22 0,32 >0,9999



Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 75ºC 2h 7,73 0,36 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 100ºC 2h 10,83 0,35 >0,9999



108

Para o parâmetro temperatura verificou-se que o tratamento a 45ºC continuou

resultando nas melhores viscosidades.

Quando a reticulação ocorre entre moléculas de xantana com conformação

desordenada, a densidade de reticulação é maior (BUENO; PETRI, 2014). O estado

conformacional das xantanas a 85ºC pode explicar a semelhança entre elas na

viscosidade em decorrência da densidade de reticulação.

O incremento na viscosidade observado pelos tratamentos de reticulação foi

mais pronunciado nas xantanas desacetiladas, chegando a valores em torno de 3

vezes maiores que os das xantanas originais submetidas ao tratamento. Muitos

pesquisadores têm relatado a influência da desacetilação na interação, ou

reticulação física, da xantana com outras gomas (FITZPATRICK et al., 2013;

GOYCOOLEA; MILAS; RINAUDO, 2001; KHOURYIEH et al., 2007; LOPES et al.,

1992; RENOU et al., 2013; RINAUDO, 2004; SHATWELL; SUTHERLAND, 1991;

SUTHERLAND, 1994; TAKO; NAKAMURA, 1985; TAKO; NAKAMURA, 1986). Para

alguns autores, o impacto do conteúdo de acetato nas interações da xantana está

mais relacionado a sua influência na estabilidade da molécula, ou seja, a redução do

teor de acetila reduz a estabilidade da hélice aumentando o número de segmentos

desordenados disponíveis para interagir (KHOURYIEH et al., 2007; RENOU et al.,

2013; VIEBKE, 2004). Gliko-Kabir, Penhasi e Rubenstein (1999) realizaram

reticulação da goma guar com glutaraldeído e observaram que a reação leva à

introdução de novas ligações covalentes. Segundo os autores, o glutaraldeído

substitui parte dos grupos hidroxila e provoca uma alteração na estrutura do

polímero. Isso pode explicar o grande aumento na viscosidade observado após a

reticulação, principalmente dos polímeros previamente desacetilados. Uma vez que

a desacetilação da xantana retira o grupo acetato e introduz uma hidroxila (OH) na

molécula (Figura 20), o polímero desacetilado passa a ter uma maior disponibilidade

de grupos de substituição para reação com o reticulante (GLU), levando,

provavelmente, a um maior nível de reticulação. Através da reticulação é possível

obter um substrato macromolecular que mantenha suas dimensões físicas

(BEJENARIU et al., 2009), e, dessa forma, um aumento na viscosidade das

soluções pode ser observado; quanto maior o número de ligações cruzadas maior o

incremento na viscosidade, até um determinado nível, quando o material tende a

insolubilização.

109

Figura 20 – Reação de desacetilação da xantana

Um possível e provável mecanismo de reação de reticulação da xantana está

proposto na figura 21. A formação de estruturas de hemiacetal e acetal ocorre pela

reação entre os grupos carbonila do aldeído com os grupos hidroxila (AHMAD;

YUSUF; OOI, 2012; GRABOWSKA et al., 2015), presentes na molécula de xantana.

Figura 21 – Representação esquemática da reação de reticulação com a participação do

glutaraldeido entre cadeias de xantana com formação de estruturas de hemiacetal e acetal.

As diferentes temperaturas de reação também influenciaram o

comportamento térmico dos polímeros resultantes (figura 22 e 23). Para exemplificar

foram selecionadas as xantanas resultantes dos tratamentos da xantana Xp 106 pH7

desacetilada; para fins de comparação, também realizou-se a análise térmica da

xantana natural, não desacetilada.

110

Figura 22 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) da xantana Xp 106 pH7 natural; desacetilada; desacetilada e submetida à reticulação com 1% de GLU por 2h nas temperaturas de 25, 45, 65 e 85ºC; na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min

A análise térmica nos proporciona medir transições térmicas devido a

alterações morfológicas ou químicas em um polímero. A técnica de DSC tem sido

utilizada para medir certas transições causadas por reações químicas. Uma

varredura térmica de DSC pode ajudar a identificar a pureza de um polímero; a

presença de um segundo material na amostra, misturado intencionalmente ou

oriundo de contaminação, pode ser indicado por um ponto de fusão extra ou

inesperado (ASTM, 2013).

Está bem claro que a reação de desacetilação influenciou a temperatura de

fusão do polímero, cujo pico endotérmico passou de 168,89ºC (Xp 106 pH7) para

141,70ºC (Xp 106 pH7 DESA); da mesma forma, a reticulação também alterou as

propriedades térmicas da xantana pruni, porém, aumentando a temperatura de fusão

para todos os tratamentos quando comparados à xantana original utilizada para a

reação (Xp 106 pH7 DESA). O maior incremento foi alcançado pelo tratamento a

25ºC, que aumentou a temperatura de fusão em 29,9ºC, seguido pelos tratamentos

a 65, 45 e 85ºC, nesta ordem. Entretanto, apenas o polímero resultante da

111

reticulação a 25ºC apresentou temperatura de fusão superior ao polímero natural

(Xp 106 pH7). Apesar da redução do ponto de fusão observado para a amostra

desacetilada, todas as xantanas tiveram temperaturas de fusão maiores do que as

reportadas por Ramasamy et al. (2011) e Ahuja, Kumar e Singh (2012), que

verificaram temperatura de fusão para xantana comercial de 90 a 120ºC com um

pico endotérmico observado a 108,9ºC.

O mecanismo de decomposição das xantanas está ilustrado na figura 23 e

nos fornece dados sobre sua estabilidade térmica. O primeiro estágio de degradação

teve temperaturas máximas de aproximadamente 61ºC para Xp 106 pH7 natural, Xp

106 pH7 DESA e Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h. Para as xantanas Xp 106

pH7 DESA 1% GLU 25ºC 2h e Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 85ºC 2h essa

temperatura foi de aproximadamente 70ºC. Já a xantana Xp 106 pH7 DESA 1% GLU

65ºC 2h apresentou a maior temperatura máxima de decomposição nesse primeiro

estágio (78ºC) apresentando também a menor perda (7%), enquanto que as demais

xantanas tiveram perdas de 9 a 11%.

A xantana Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC teve temperatura máxima de

decomposição de 294,94ºC para o segundo estágio de decomposição, enquanto as

demais tiveram temperaturas máximas entre 288ºC-290ºC. As perdas ficaram entre

47% e 58%, sendo as menores perdas para as xantanas desacetiladas reticuladas e

a maior para xantana desacetilada. As temperaturas de onset variaram pouco,

ficando entre 261ºC e 265ºC, sendo o maior valor alcançado pela xantana Xp 106

pH7 DESA 1% GLU 65ºC 2h, seguida pelas xantanas Xp 106 pH7 DESA 1% GLU

25ºC 2h e Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h com temperatura de 263ºC.

Para Gliko-Kabir, Penhasi e Rubenstein (1999), as alterações físico-químicas

provocadas pelo GLU são refletidas no comportamento térmico da goma guar

reticulada, que apresenta maior estabilidade térmica comprovada pelas maiores

temperaturas de decomposição e menores perdas de massa após análise de DTG e

derivada.

112

Figura 23 - Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) da xantana Xp 106 pH7 natural; desacetilada; desacetilada e submetida à reticulação com 1% de GLU por 2h nas temperaturas de 25, 45, 65 e 85ºC; na faixa de temperatura de 30 – 350ºC e taxa de aquecimento de 10ºC/min.

113

4.3.2.1 Avaliação dos polímeros de melhor resultado na reticulação

Os polímeros Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h e Xp 106 pH9 DESA 1%

GLU 45ºC 2h, por terem apresentado as maiores viscosidades versus taxa de

deformação a 25ºC, foram submetidos à análise de rendimento, análises reológicas

complementares, análises térmicas, espectroscopia de infravermelho, determinação

do grau de intumescimento e teste de dissolução, objetivando comprovar a

reticulação mediante alterações evidenciadas nessas propriedades.

Os resultados referentes ao cálculo de rendimento da síntese após as

modificações isoladas ou combinadas estão dispostos na tabela 15.

Tabela 15 – Rendimento (%) da síntese das xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9 desacetiladas, reticuladas na condição ótima selecionada, desacetiladas e reticuladas e controles.

Xantana Rendimento (%)

Xp 106 pH7 DESA 80,23de

± 0,8

Xp 106 pH7 1% GLU 45ºC 2h 81,13d ± 0,8

Xp 106 pH7 45ºC controle 80,50d ± 0,7

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h 92,53a ± 0,9

Xp 106 pH7 DESA 45ºC controle 78,23f ± 0,6

Xp 106 pH9 DESA 80,60d ± 0,6

Xp 106 pH9 1% GLU 45ºC 2h 83,50c ± 0,5

Xp 106 pH9 45ºC controle 81,80cd

± 0,4

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h 89,07b ± 0,9

Xp 106 pH9 DESA 45ºC controle 78,27ef ± 0,3

Valores = médias ± SD; n = 6. Colunas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05).

Ambas as xantanas naturais, Xp 106 pH7 e pH9, utilizadas para as

modificações químicas de acetilação e/ou reticulação, tiveram comportamento

semelhante, com rendimento significativamente maior para os polímeros obtidos

pela reticulação das xantanas previamente desacetiladas. O rendimento está

associado ao nível de reticulação obtido para cada polímero. As xantanas

reticuladas de maior rendimento foram as mesmas para as quais considerou-se o

114

processo de reticulação mais efetivo, a saber as previamente desacetiladas (Tabelas

16 e 17).

O alto rendimento na síntese de um novo polímero é importante, tendo em

vista a questão econômica relacionada às perdas que ocorrem durante o processo.

Os polímeros de melhor resultado obtidos pela reticulação apresentaram perdas de

7,5 a 11%, entretanto, essa perda pode ser considerada pequena quando

comparada a valores relatados na literatura. Em estudo realizado com modificação

química de xantana pruni por troca iônica, Klaic (2010) obteve rendimento de 73 a

76%; Bejenariu et al. (2009), realizou a reticulação de xantana comercial (Rhodia)

com trimetafosfato de sódio e o máximo rendimento obtido foi de 47%, já a

reticulação da xantana realizada com ácido adípico di-hidrazida resultou em no

máximo 78% de rendimento (BEJENARIU et al., 2008).


) a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação na condição selecionada (1% GLU, 45ºC, 2h).

115

Através das curvas de viscosidade a 25ºC, pode-se observar que todas as

xantanas apresentaram comportamento não newtoniano e pseudoplástico (Figura

24).

A partir dos resultados de taxa de deformação e tensão de cisalhamento

foram obtidos os parâmetros reológicos índice de consistência (K) e índice de fluxo

(n) das xantanas naturais, desacetiladas após fermentação e desacetiladas

reticuladas (Tabela 16). Os fatores de correlação foram ≥ 0,9998.

Tabela 16 – Parâmetros reológicos, índice de consistência (K) e índice de fluxo (n), obtidos das curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (s

-1) a 25ºC de soluções a 1% (m/v) das

xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9 naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação na condição selecionada (1% GLU, 45ºC, 2h)

R2= Fator de correlação.

Todas as xantanas apresentaram características altamente pseudoplásticas,

com valores de n menores que 0,36. O processo de desacetilação reduziu as

viscosidades e aumentou a pseudoplasticidade em relação a ambas as xantanas

naturais, ao passo que a reticulação das xantanas desacetiladas produziu polímeros

com viscosidades extremamente elevadas, com valores de K chegando a

aproximadamente três vezes maiores aos das xantanas naturais, mas afetou de

modo diferente a pseudoplasticidade; a xantana produzida em pH 7, naturalmente

acetilada, teve a pseudoplasticidade reduzida após essa sucessão de modificações

químicas, enquanto que a xantana produzida em pH 9, parcialmente desacetilada,

teve a pseudoplasticidade aumentada. De acordo com Oviatt e Brant (1994), o

aumento na extensão da estrutura ramificada da xantana por ligações cruzadas

Xantana K n R2

Xp 106 pH7 6,533 0,3252 0,9998

Xp 106 pH7 DESA 4,427 0,2884 >0,9999

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h 18,830 0,3517 >0,9999


Xp 106 pH9 AUTODESA 7,133 0,3415 0,9998

Xp 106 pH9 DESA 3,011 0,3046 >0,9999

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h 26,110 0,3344 >0,9999


116

proporciona grande aumento na viscosidade das amostras. O comportamento

pseudoplástico também pode ser explicado com base na sua massa molecular

elevada e nas interações intramoleculares, formando agregados complexos por meio

de ligações de hidrogênio e entrelaçamento do polímero. A alta viscosidade a baixa

taxa de cisalhamento é atribuída a esses agregados (JEANES; PITTSLEY; SENTI,

1961). Muitos fenômenos, entretanto, não podem ser descritos em função apenas da

viscosidade e o comportamento elástico deve ser levado em consideração.

A reticulação exerce efeito positivo sobre as propriedades de semelhança a

gel, tornando a resposta das soluções de xantana predominantemente elástica. À

semelhança do que ocorre com a viscosidade, as propriedades viscoelásticas são

modificadas pela reticulação (Figura 25). Todas as xantanas em estudo têm

característica de gel verdadeiro e forte, uma vez que o módulo elástico (G‟) é

significantemente maior que o módulo viscoso (G”) em toda a faixa de frequência

(STEFFE, 1996), com valores elevados para ambos os módulos.

117

Figura 25 – Curvas de viscoelasticidade a 25ºC, na frequência de 1 a 10Hz, de soluções a 1% (m/v) das xantanas Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação.

Para Lefebvre e Doublier (2004), as propriedades viscoelásticas estão

relacionadas à organização supramolecular. A reticulação proporcionou aumento

nos módulos elástico e viscoso, sendo maior para xantana Xp 106 pH9 DESA 1%

GLU 45ºC 2h. As xantanas naturais apresentaram redução no módulo viscoso com o

aumento da frequência; já as reticuladas apresentaram certa lineariedade. Segundo

Michona et al. (2004), essas medidas reológicas dinâmicas, realizadas em baixa

118

tensão, no domínio linear, são úteis para caracterizar as propriedades de rede, como

a gelificação. A reação de reticulação ocorreu em temperatura baixa (45ºC),

insuficiente para ocasionar a desestruturação conformacional. Como ambos os

módulos tiveram os valores aumentados pela reticulação e o comportamento

elástico sugere a presença da conformação helicoidal (BEJENARIU et al., 2008),

presume-se que a conformação helicoidal da xantana foi estabilizada pela formação

de ligações cruzadas.

Nas figuras 26 e 27 estão dispostos os resultados de viscosidade e

viscoelasticidade em diferentes temperaturas para as xantanas pruni da cepa 106,

naturais, desacetiladas e desacetiladas reticuladas. As xantanas obtidas em pH7 e

pH9 tiveram comportamento semelhante: manutenção da viscosidade das xantanas

naturais com o aumento da temperatura de análise e pequeno aumento na

viscosidade para as amostras desacetiladas. Esse comportamento também foi

observado por Tako e Nakamura (1984) para soluções a 1% de xantanas

desacetiladas. Isso mostra a elevada estabilidade reológica frente ao aquecimento

destas xantanas quando comparadas à maioria das xantanas comerciais, que

apresentam redução em sua viscosidade com o aumento da temperatura (XU et al.,

2013). Da mesma forma, a reticulação também alterou o comportamento das

amostras, que apresentaram, porém, um pequeno decréscimo nos valores de

viscosidade em 45 e 65ºC. Apesar disso, as xantanas reticuladas ainda tiveram

viscosidades muito superiores às das xantanas naturais e desacetiladas. Em estudo

realizado por Oliveira et al. (2013) os autores também observaram decréscimo na

viscosidade e nos módulos elástico e viscoso com o aumento da temperatura de

análise para xantanas pruni e amostras comerciais. O mesmo comportamento foi

observado por Bejenariu et al. (2009). Segundo Xu et al. (2013), soluções de goma

xantana são mais elásticas a baixas temperaturas e mais viscosas do que elásticas

a altas temperaturas. Em nosso estudo os módulos elástico e viscoso tiveram um

acentuado aumento para as xantanas reticuladas quando as análises foram feitas

nas temperaturas de 45ºC, principalmente, e 65ºC. Entretanto, o módulo elástico

permaneceu superior ao módulo viscoso, comportamento típico de gel verdadeiro. O

conhecimento desse comportamento viscoelástico é importante para determinação

de futuras aplicações dos polímeros modificados.

119

Figura 26 - Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s-1

) a 25ºC, 45ºC e 65ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas e reticuladas na melhor condição.

120

Figura 27 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC, 45ºC e 65ºC de soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B), naturais, desacetiladas e reticuladas

na melhor condição; na frequência de 1 a 10Hz.

A figura 28 apresenta o comportamento térmico das xantanas naturais Xp 106

pH7 e Xp 106 pH9 AUTODESA, bem como das respectivas xantanas desacetiladas

e desacetiladas reticuladas. Todas as xantanas modificadas quimicamente,

especialmente as provenientes da Xp 106 pH7, tiveram picos mais largos, indicando

maior polidispersão, bem como pontos de fusão menores, comparadas às xantanas

naturais. Como pode ser observado, um pico endotérmico a 141,70ºC foi detectado

para xantana Xp 106 pH7 desacetilada e a 164,84ºC para esta mesma amostra após

a reticulação. À semelhança do que ocorreu com a xantana produzida em pH7, um

incremento no ponto de fusão também foi observado para xantana Xp 106 pH9

121

DESA, que passou de 148,51ºC para 160,02ºC após a reticulação. Segundo

Rinaudo (2001), a estabilidade térmica da xantana aumenta com a formação de uma

extensa rede de ligações intra ou intermoleculares, o que é alcançado através da

reticulação. A hélice da estrutura secundária da xantana é estabilizada por ligações

não covalentes, como as ligações de hidrogênio, interações eletrostáticas e efeitos

estéricos (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002).

Figura 28 – Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação, na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

122

As curvas termogravimétricas de TGA-DTA (Figuras 29 e 30) ilustram o

mecanismo da decomposição térmica das amostras de xantana em estudo.

Figura 29 – Análise termogravimétrica (DTA/TGA e derivada DrTGA) das xantanas pruni Xp 106 pH7

e Xp 106 pH9 naturais, desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação, na faixa de temperatura de 30 – 350ºC e taxa de aquecimento de 10ºC/min.

123

A primeira perda de massa associada ao pico endotérmico (30 a 150ºC)

corresponde a aproximadamente 11% para todas as xantanas, com exceção das

amostras Xp 106 pH9 AUTODESA e Xp 106 pH9 DESA, que, tiveram perda de 7 e

8%, respectivamente. Além da água, outros compostos voláteis podem estar sendo

perdidos nesse primeiro pico, uma vez que a análise de umidade dessas amostras

(Tabela 1, sessão 3.3.1) não correspondeu a esses teores. Adicionalmente, as

xantanas com menor perda de massa no primeiro estágio são justamente as

xantanas desacetiladas, em maior ou menor grau, e os grupos acetila são facilmente

removidos por aquecimento. Para xantanas armazenadas por longos períodos,

observa-se gradativa desacetilação espontânea em decorrência de degradação

hidrolítica, o que corrobora a labilidade do substituinte acetila na molécula de

xantana. Segundo Faria et al. (2011), a adsorção de água pela xantana ocorre

devido à presença de grupos polares na estrutura, especialmente grupos hidroxila

(OH). A análise das curvas de TGA e sua derivativa (TG/DTG) mostra que, para

essa primeira degradação térmica, a taxa máxima de decomposição ocorreu entre

52 e 67ºC. As xantanas 106 pH9 natural e desacetilada reticulada tiveram a taxa

máxima de decomposição na maior e menor temperatura, respectivamente,

enquanto que para as demais xantanas o valor foi de aproximadamente 61ºC.

O segundo processo de degradação (213 a 350ºC) corresponde à perda de

massa de 39 a 58%, sendo a menor perda a da Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC

2h, o que confirma a estabilidade estrutural conferida pela reticulação; e a maior

perda a da Xp 106 pH7 DESA. As duas xantanas reticuladas tiveram perdas

menores que as respectivas xantanas naturais e desacetiladas, além de a

temperatura máxima obtida para o segundo estágio de decomposição ser

ligeiramente superior às demais xantanas, com 294,94ºC e 291,24 para Xp 106 pH7

DESA 1% GLU 45ºC 2h e Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h, nessa ordem. As

demais xantanas tiveram temperaturas máximas de decomposição, nesse estágio,

entre 285 e 289ºC. A diferença é pequena, o que sugere uma estabilidade térmica

similar. As temperaturas de onset confirmaram esse resultado e foram de 259ºC

para Xp 106 pH9 DESA, 262ºC para Xp 106 pH7, Xp 106 pH9 AUTODESA e Xp 106

pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h e de 263ºC para Xp 106 pH7 DESA e Xp 106 pH7

DESA 1% GLU 45ºC 2h. As perdas totais de massa, na faixa de temperatura

utilizada, também foram menores para as xantanas reticuladas (Figura 30). De

124

acordo com Zohuriaan e Shokrolahi (2004), as diferenças no comportamento térmico

de polissacarídeos ocorre devido a diferenças na estrutura e grupos funcionais

presentes.

Figura 30 – Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9 naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação e seus respectivos percentuais de perda de massa na faixa de temperatura de 30 a 350ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

Uhl e colaboradores (2001) investigaram a correlação entre a reticulação e a

estabilidade térmica de polímeros utilizando vários procedimentos de reticulação.

Segundo os autores, pressupõe-se que a reticulação de polímeros aumenta a

estabilidade térmica dos sistemas poliméricos e, em seus estudos, os pesquisadores

corroboraram essa teoria (LEVCHIK et al., 1999; UHL et al., 2001). Segundo Gliko-

Kabir, Penhasi e Rubenstein (1999) que mediram a estabilidade térmica de goma

guar, o efeito do reticulante sobre o polímero modificado pode ser elucidado. Nossos

resultados estão de acordo com a literatura, tendo em vista o incremento nas

temperaturas de fusão e de decomposição e o menor percentual de decomposição

observados para as xantanas submetidas à reticulação.

125

Outra análise que pode atestar a efetividade da reticulação é a

espectroscopia de infravermelho, através da qual se avalia os grupos funcionais

presentes na molécula. Entretanto, comparando os espectros das xantanas

reticuladas com as naturais e as desacetiladas utilizadas para o tratamento, não se

observa variações dignas de nota (Figura 31).

126

Figura 31 – Espectros de infravermelho das xantanas pruni: Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B),

naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação; e reticulante GLU (C).

127

Segundo Gliko-Kabir, Penhasi e Rubenstein (1999) o glutaraldeído substitui

parte dos grupos -OH, porém não foi observada diminuição na intensidade das

bandas (3200 – 3450cm-1) correspondentes a esses grupos nas xantanas

reticuladas. O principal indício de modificação em função do glutaraldeído é a

diminuição na intensidade das bandas de absorção em aproximadamente 800cm-1 e

em 1250cm-1, referente a deformação axial da ligação C – O dos ésteres metílicos

nas xantanas reticuladas. Como pode ser observado, essa banda não aparece no

agente reticulante GLU. Apesar disso, semelhantemente ao relatado por Poon,

Wilson e Headley (2014), que avaliaram a reticulação da quitosana com

glutaraldeído, a caracterização detalhada da xantana utilizando FT IR é complicada.

Muitos dos grupos funcionais, tanto das xantanas naturais e desacetiladas, quanto

das xantanas reticuladas correspondentes, além do próprio glutaraldeído, mostram

bandas de absorção com frequência similar. Consequentemente, isso pode significar

que certas regiões espectrais, para as xantanas naturais e desacetiladas e as

reticuladas, resultaram de combinações de bandas de vários grupos funcionais.

Portanto, a espectroscopia de infravermelho sozinha não pode ser considerada

conclusiva, mas indicativa.

Para verificar a influência da reticulação na capacidade de adsorção de água

e na capacidade de dissolução das xantanas pruni, o grau de intumescimento e o

teor de água nos polímeros intumescidos foram determinados para as amostras

naturais, desacetiladas e para as amostras desacetiladas reticuladas na condição

selecionada.

Tabela 17 –Teor de água (%) nos polímeros intumescidos e grau de intumescimento (gramas de água/gramas de polímero), para as xantanas pruni Xp 106 pH7 e pH9 naturais; desacetiladas; desacetiladas e submetidas à reticulação na condição selecionada (1% GLU, 45ºC e 2h).

Valores = médias ± SD; n = 6. Linhas com letras diferentes são significativamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05)

Xantana % água GI (g/g)

Xp 106 pH7 98,54c ± 0,11 62,33

e ± 4,4

Xp 106 pH7 DESA 99,13ab

± 0,13 104,42c ± 2,3

Xp 106 pH7 DESA 1% GLU 45ºC 2h 99,39a ± 0,09 152,4

a ± 3,3

Xp 106 pH9 AUTODESA 98,88bc

± 0,21 79,64d ± 2,7

Xp 106 pH9 DESA 99,13ab

± 0,16 103,50c ± 2,9

Xp 106 pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h 99,32a ± 0,16 131,36

b ± 12

128

Segundo Bejenariu et al. (2009), hidrogéis são redes tridimensionais

insolúveis, quimicamente ou fisicamente reticuladas, que apresentam a capacidade

de absorver uma grande quantidade de solvente que é retida quando nenhuma

pressão é aplicada sobre elas. Sendo assim, as medições de inchamento são um

bom método para a caracterização física das redes de polissacarídeos reticulados.

O grau de dilatação é um processo influenciado tanto pela densidade de reticulação

quanto pelas repulsões eletrostáticas exercidas entre as cadeias moleculares.

Como se pode observar na tabela 17, os processos de acetilação e

reticulação aumentaram levemente o teor de água nos polímeros intumescidos,

entretanto, não houve diferença significativa entre os polímeros naturais nem entre

as xantanas modificadas quimicamente. Quanto ao GI, com exceção das xantanas

desacetiladas, todas diferiram significativamente, embora o desvio padrão tenha sido

elevado em alguns casos (2,3 – 12%). Bueno et al. (2013), em seu experimento

também verificaram elevado desvio padrão na análise das triplicatas, na ordem de

13%. As duas xantanas naturais, Xp 106 pH7 e pH9, tiveram o mesmo

comportamento, aumento do GI após a desacetilação e, mais ainda, após a

reticulação dos polímeros desacetilados.

Bueno et al. (2013) realizaram a reticulação de goma xantana comercial por

esterificação a 165ºC com ácido cítrico e investigaram o comportamento do

intumescimento em diferentes meios, observando a influência do pH e da presença

de sais. De acordo com a pesquisa, o aumento do pH aumenta o GI devido as

repulsões eletrostáticas e à ruptura das ligações éster, o que ocorre na reação de

desacetilação, explicando o aumento no grau de intumescimento das xantanas pruni

após a desacetilação pós-fermentativa. O equilíbrio do intumescimento também foi

afetado por sais, dependendo da composição do gel e do tipo de sal utilizado. Os

autores observaram, porém, alto grau de reticulação, comprovado pela diminuição

no grau de intumescimento. Diversos estudos relacionam alto grau de reticulação

com a diminuição do grau de intumescimento em polissacarídeos (BEPPU et al.,

2007; BUENO et al., 2013; CURY et al., 2009; ENKE et al., 2014; MATOS, 2008;

VIKHOREVA; SHABLYUKOVA; KILL‟DEEVA, 2001). Entretanto, as pesquisas

também mostram aumento pronunciado na capacidade de intumescimento após a

reticulação parcial, que favorece o aprisionamento das moléculas de solvente na

estrutura polimérica (BEJENARIU et al., 2009; CURY et al., 2009; ENKE et al., 2014;

129

MATOS, 2008). Poon, Wilson e Headley (2014) reticularam o polímero chitosana

com glutaraldeido e também observaram aumento no grau de intumescimento com o

aumento na densidade de reticulação. Segundo os autores, isso pode ser explicado

pelo caráter hidrófilo conferido pelas unidades de glutaraldeído decorrentes do grupo

carbonila pendente, evidenciado pelo comportamento de inchamento dos polímeros

reticulados.

Quanto ao teste de solubilidade realizado, verificou-se que as xantanas 106

pH7 e pH9 naturais e desacetiladas solubilizaram-se totalmente após 30 minutos

sob agitação a 60ºC, ao passo que ambas as xantanas, Xp 106 pH7 DESA 1% GLU

45ºC 2h e Xp pH9 DESA 1% GLU 45ºC 2h, tiveram apenas 47,2% e 39,0% de

polímero solubilizado, respectivamente. A solubilidade e a capacidade de

intumescimento de um polímero não são influenciadas somente pelo grau de

reticulação. Trata-se de um processo complexo que depende da interação polímero-

solvente, que é determinada, primeiramente, pela composição química do polímero,

mas também pela massa molecular (BILLMEYER, 1984). O intumescimento ou

inchamento não pode ser explicado apenas como a penetração de pequenas

moléculas de água na fase do polímero preenchendo seus espaços vazios. Esse

processo também envolve uma mudança no arranjo espacial das cadeias

poliméricas resultando em um aumento no volume da amostra (LUCAS; SOARES;

MONTEIRO, 2001). Segundo Billmeyer (1984), quando as forças intermoleculares

polímero-polímero são altas devido à reticulação, cristalinidade ou fortes ligações de

hidrogênio, muitas vezes apenas o primeiro estágio da dissolução ocorre, que é a

difusão das moléculas de solvente para o polímero, produzindo um gel inchado ou

intumescido. Sendo assim, os polímeros reticulados têm sua dissolução reduzida ou

até mesmo impedida, dependendo do grau de reticulação. Entretanto, sempre

incham ao interagir com o solvente, e o grau dessa interação é dependente da

extensão da reticulação (BILLMEYER, 1984). Se a quantidade de reticulação for

relativamente baixa, as moléculas do solvente podem penetrar na fase do polímero e

este sofre inchamento (LUCAS; SOARES; MONTEIRO, 2001); ainda, se as forças

intermoleculares polímero-polímero forem superadas pela introdução de fortes

interações polímero-solvente o segundo estágio da disolução pode ocorrer, e as

moléculas do polímero se difundem lentamente para o solvente, formando uma

solução homogênea (BILLMEYER, 1984).

130

Essa diminuição da solubilidade nos polímeros reticulados somente foi

observada para os polímeros na forma de filme e pode ser um fator muito positivo

para futuras aplicações. Uma possível e viável aplicação é na produção de filmes e

recobrimentos biodegradáveis à base de xantana ou de xantana combinada com

outras gomas.

4.4 Conclusões

A concentração do agente reticulante, a temperatura e o tempo de reação

afetam a efetividade da reticulação. Os melhores resultados foram alcançados com

1% de GLU, 45ºC e 2h de reação.

A reticulação na melhor condição aumentou significativamente a viscosidade,

viscoelasticidade, resistência térmica e capacidade de absorção de água. As

xantanas previamente desacetiladas por processo termoquímico pós-fermentativo

apresentaram os maiores incrementos nessas propriedades, comparado às

xantanas naturais com ou sem autodesacetilação. Observou-se que a Xp 106 pH7

desacetilada reticulada apresentou maior incremento na resistência térmica,

rendimento e grau de intumescimento, ao passo que, a Xp 106 pH9 desacetilada

reticulada teve maior incremento nas propriedades reológicas (viscosidade e

viscoelasticidade).

A eficácia da reticulação de xantana pruni com glutaraldeído foi confirmada

pelas análises reológicas, térmicas, de rendimento e intumescimento. A reticulação

química da xantana pruni mediada por glutaraldeído é tecnicamente viável, tem bom

rendimento e origina xantanas tecnologicamente superiores e diferenciadas das

naturais.

131

5 Associação de modificações químicas em xantana pruni: desacetilação,

reticulação e troca iônica

5.1 Introdução

As modificações químicas de polissacarídeos naturais são uma importante

ferramenta para produção de polímeros com novas e diferenciadas propriedades e

aplicações. Diversas modificações químicas têm sido aplicadas à xantana, um

biopolímero de grande interesse tecnológico utilizado na indústria de alimentos

(BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002; KATZBAUER, 1998), petrolífera

(NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000), farmacêutica (PARFITT, 1999),

produtos de higiene e cosméticos (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002)

entre outras. O sucesso de sua utilização baseia-se na estabilidade de suas

soluções frente a alterações de pH, temperatura e força iônica. A xantana possui

capacidade de modificar extensivamente a reologia de meios aquosos nos quais é

inserida, atuando como gelificante, além de agente suspensivo e estabilizador de

emulsões (KATZBAUER, 1998; MCNEELY; KANG, 1973; ROCKS, 1971). Sua

cadeia principal é do tipo celulósica, e resíduos alternados de glicose são

substituídos em C (3) com uma cadeia lateral trissacarídica, que por sua vez, é

variavelmente substituída nos resíduos de manose por grupos acetila e piruvato

(CADMUS et al. 1976; JANSSON; KENNE; LINDBERG, 1975; SLONEKER,

JEANES, 1962; MELTO; MINDT; REES; SANDERSON, 1976). As variações na

quantidade e posição dos substituintes confere certa irregularidade à molécula de

xantana (BORN; LANGENDORFF; BOULENGUER, 2002).

132

A desacetilação é uma modificação química que torna o polímero mais

flexível (TAKO; NAKAMURA, 1984) e favorece a formação de ligações cruzadas ou

reticulação entre moléculas do mesmo polímero ou sua interação com outros

polissacarídeos (LOPES et al., 1992; SHATWELL; SUTHERLAND,1991; TAKO;

NAKAMURA, 1985). A reticulação forma redes macromoleculares estáveis

(BEJENARIU et al., 2009) que alteram as propriedades de intumescimento dos

polímeros, produzindo hidrogéis estáveis (LINDBLAD; ALBERTSSON, 2004), e

aumentam sua resistência térmica (GLIKO-KABIR; PENHASI; RUBENSTEIN, 1999;

NAVARRETE; SEHEULT; COFFEY, 2000). Outra modificação química passível de

aplicação em xantana é a troca iônica, com a qual se modifica o balanço iônico na

molécula (KLAIC, 2010; MOHAMMED et al., 2007; ROSS-MURPHY; MORRIS;

MORRIS, 1983). A presença de eletrólitos na molécula eleva a temperatura de

transição de ordem-desordem da xantana (CAPRON; BRIGAND; MULLER, 1998;

CLARKE-STURMAN; PEDLEY; STURLA, 1986; XIE; LECOURTIER, 1992),

tornando-a termicamente mais estável (KIERULF; SUTHERLAND, 1988; ROCKS,

1971; SUTHERLAND, 2001b; XIE; LECOURTIER, 1992). Ross-Murphy, Morris e

Morris (1983) e Klaic et al. (2016) mostraram que a viscosidade e o comportamento

da xantana também são substancialmente afetados pela natureza e quantidade dos

cátions associados. Klaic et al. (2016) realizaram troca iônica na xantana pruni

produzida pela cepa 101 em pH7. Os autores adicionaram diferentes concentrações

de Ca++ e de Na+ em xantanas livres de sais, observando aumento em sua

viscosidade, principalmente nas concentrações de 5% Na+ e 0,5% Ca++.

Não existem, na literatura atual, estudos associando diferentes modificações

químicas para uma mesma xantana. Sendo assim, objetivamos avaliar o

comportamento da xantana pruni submetida a sucessivas modificações químicas,

como a desacetilação, a reticulação e a troca iônica isoladas e conjuntamente

aplicadas, através do estudo da reologia e das características térmicas dos

polímeros resultantes, comparativamente aos polímeros naturais utilizados.

133

5.2 Material e Métodos

5.2.1 Materiais

Utilizaram-se xantanas produzidas pela cepa 106 de X. arboricola pv pruni em

duas condições de pH, conforme descrito no item 3.2.2, denominadas Xp 106 pH7 e

Xp 106 pH9, com teores de acetila, determinados conforme descrito no item 3.2.4.1,

classificados como elevado (4,09% ± 0,04) e médio (2,65% ± 0,05),

respectivamente. Reagentes de grau analítico foram utilizados em todo o

experimento. Utilizou-se NaOH (Vetec®) para reação de desacetilação termoquímica

e glutaraldeído (GLU) solução a 50% (Vetec®) para proceder a reticulação. A troca

iônica foi realizada em duas etapas, remoção dos cátions metálicos com resina

trocadora de cátions fortemente ácida Amberlite IR 120 H+ (Sigma-Aldrich®), e

adição controlada de Na+ (NaCl Vetec®). Todas as soluções foram preparadas

utilizando água ultra pura obtida em um sistema de purificação de água Direct-Q 3

(Millipore Corporation®,) com uma resistividade de 18,3 MΩcm.

5.2.2 Modificação química das xantanas

A modificação química de desacetilação foi conduzida utilizando-se a

condição ótima de desacetilação selecionada no item 3.3.2. Ou seja, as amostras de

xantana pruni foram submetidas a desacetilação em solução 0,01mol L-1 de NaOH

com 0,5% (m/v) de polímero, procedendo a reação a 45ºC por 3h. Após, as xantanas

foram recuperadas por precipitação em etanol 96%, secas e trituradas, conforme

3.2.2, e os polímeros resultantes nomeados Xp 106 pH7 DESA e Xp 106 pH9 DESA.

A reação de reticulação mediada por GLU foi realizada nas xantanas nas

xantanas pruni desacetiladas, utilizando a concentração, tempo e temperatura de

melhor resultado no estudo realizado no capítulo 4. As condições reacionais foram:

2h de reação a 45ºC utilizando 0,5% (m/v) de xantana e 1% (v/v) de GLU. Após,

134

realizou-se a recuperação dos polímeros, nomeando-se as xantanas: Xp 106 pH7

DESA RET; Xp 106 pH9 DESA RET.

As xantanas naturais, desacetiladas e desacetiladas reticuladas foram

submetidas ao processo de troca iônica. As amostras de xantana foram hidratadas

na proporção de 1:99 (m/v) e estocadas por 24h na temperatura de 4ºC para evitar

crescimento microbiano. Após as misturas foram agitadas por 2h à temperatura

ambiente e submetidas à troca iônica. O processo foi controlado pelo pH e

condutividade das soluções de xantana. Em seguida, as soluções livres de sais

foram adicionadas de 5% de Na+ em relação ao teor de xantana, pela adição de

NaCl, e os polímeros recuperados, secos e triturados (KLAIC et al., 2016). As

xantanas modificadas por troca iônica receberam junto a sua denominação a

terminação TI 5% Na.

5.2.3 Reometria

As análises reológicas foram realizadas conforme descrito no item 3.2.4.5. As

soluções de xantana a 1% (p/v) foram submetidas a ensaios rotacionais e

oscilatórios em reômetro (Haake® Rheostress 600, modelo RS150) com controlador

de temperatura (Peltier, ± 0,1°C). Determinou-se a viscosidade por meio de curvas

de tensão de cisalhamento versus taxa de deformação e as propriedades

viscoelásticas pela medida dos módulos elástico G´(ω) e viscoso G” (ω). As análises

foram realizadas a 25ºC com três medidas para cada amostra, não havendo

diferenças superiores a 5% entre as medidas. Utilizou-se geometria de cone e placa

(sensor C35/1º; 0.052mm gap), com taxa de cisalhamento de 0,01-1000s-1, durante

400s para viscosidade; e 0,5 Pa de tensão e frequência variando de 1 a 10 Hz para

os módulos elástico (G‟) e viscoso (G”).

135

5.2.4 Análise térmica

Realizou-se as análises térmicas de calorimetria exploratória diferencial

(DSC) e termogravimetria (TGA) em equipamento DSC-60 (Shimadzu®) e DTG-60

(Shimadzu®), respectivamente, de acordo com o método descrito no item 3.2.4.6 do

capítulo 3.

5.3 Resultados e Discussão

Em estudos anteriores (KLAIC et al., 2016), verificou-se que a modificação

química de troca iônica, com adição de 5% de Na+, causou um acentuado

incremento na viscosidade das xantanas pruni naturais produzidas pela cepa 101

em pH7 e pH9. O mesmo resultado foi obtido em nosso estudo para as xantanas

pruni produzidas pela cepa 106 nas mesmas condições de pH (Figura 32).

136

Figura 32 - Curvas de viscosidade (mPas) versus taxa de deformação (0,01-1000s

-1) a 25ºC de

soluções aquosas (1% m/v) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas a troca iônica e desacetiladas reticulada submetidas à troca iônica.

Conforme discutido no capítulo 3, a realização única da desacetilação reduziu

sensivelmente os valores de viscosidade para as xantanas pruni obtidas em pH 7 e

9. Isso contraria autores como Sloneker e Jeanes (1962) e Pinto, Furlan e

Vendruscolo (2011), que verificaram aumento na viscosidade de xantanas

comerciais causado pela desacetilação. Por outro lado, a desacetilação seguida de

reticulação proporcionou os maiores valores, com aumentos na viscosidade da

ordem de 3 e 3,6 vezes para as xantanas obtidas nos pH 7 e 9, respectivamente.

Diferentes xantanas sofrem efeitos distintos na viscosidade pela adição de

sais. Esta diversidade de efeitos possivelmente reflete diferenças na massa molar,

137

conformação molecular ou composição química (NITSCHKE; THOMAS, 1995). De

acordo com Jeanes e Sloneker (1961), soluções aquosas de xantana na presença

de sais inorgânicos sofrem um modesto incremento na viscosidade, já um grande

aumento é observado para xantana desacetilada. As amostras de xantana pruni

previamente modificadas por desacetilação tiveram suas viscosidades aumentadas

pela troca iônica em proporções levemente maiores que as xantanas pruni naturais.

Já as xantanas pruni desacetiladas reticuladas tiveram suas viscosidades

extremamente reduzidas quando submetidas à troca iônica.

Com base nos resultados pode-se inferir que, em relação à elevação da

viscosidade, a combinação da desacetilação e reticulação resulta nos melhores

resultados e a desacetilação justifica-se apenas como tratamento prévio à

reticulação. Já a troca iônica mostrou-se adequada como modificação única,

realizada nas xantanas naturais. Apesar da associação desacetilação – troca iônica

ter proporcionado os segundos maiores resultados de viscosidades, não se justifica

sua aplicação. Uma vez realizada a desacetilação é mais proveitoso, econômico e

prático a realização subsequente da reticulação.

Em algumas situações a redução da viscosidade pode ser desejável, como

por exemplo na formulação de blendas para produção de filmes biodegradáveis à

base de xantana ou xantana e amido. A menor viscosidade da solução reduz a

formação de bolhas bem como facilita a remoção das bolhas (JIN et al., 2015).

Nessas situações, as xantanas desacetiladas são as mais recomendáveis.

138

Figura 33 - Curvas de viscoelasticidade a 25ºC de soluções aquosas (1% m/v), na frequência de 1 a 10Hz, das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas a troca iônica e desacetiladas reticuladas submetidas a troca iônica.

De acordo com Ross-Murphy, Morris e Morris (1983), alterações no conteúdo

de polieletrólitos modificam a viscoelasticidade de amostras de xantana. Segundo os

autores, as interações iônicas são modificadas pela concentração e tipo de íon e

pelo teor de piruvato, fazendo com que esses efeitos sejam mais pronunciados do

que seriam quando esperados puramente do caráter polieletrólito das cadeias

laterais. Assim, mudanças no balanço de cátions associados podem induzir

alterações na resposta viscoelástica, sendo que o efeito das interações

intermoleculares é muito maior do que para associações não específicas (ROSS-

MURPHY; MORRIS; MORRIS, 1983).

À semelhança do que ocorreu com a viscosidade, a desacetilação seguida

de reticulação resultou nos maiores valores de módulos elástico e viscoso para as

xantanas obtidas em ambos pH (7 e 9), caracterizando géis mais fortes, enquanto

que a desacetilação causou redução na força do gel (Figura 33). Com exceção das

139

xantanas desacetiladas reticuladas, que apresentaram valores menores após a troca

iônica, essa modificação resultou em incremento nos módulos elástico (G‟) e viscoso

(G”) para todas as xantanas. Para a xantana obtida em pH7, a troca iônica foi mais

efetiva para a xantana natural, enquanto que para a xantana obtida em pH 9 a troca

iônica foi mais efetiva para a xantana previamente desacetilada.

Ao comparar os três métodos de modificação química aplicados à xantana, o

maior incremento nos parâmetros reológicos foi alcançado quando ambas as

xantanas foram submetidas à modificação química de desacetilação seguida de

reticulação. A troca iônica mostrou-se relevante como modificação única apenas

para as xantanas naturais.

Diversas pesquisas têm sido realizadas para estudar os efeitos da força iônica

nas características da xantana relacionando a presença de eletrólitos com a

estabilidade térmica do polímero (BERGMANN; FURTH; MAYER, 2008; GARCÍA-

OCHOA et al. 2000; SUTHERLAND, 2001a). De acordo com Xie e Lecourtier (1992),

a presença de eletrólitos eleva a temperatura de transição de ordem-desordem da

molécula, tornando a xantana termicamente mais estável (KIERULF; SUTHERLAND,

1988; ROCKS, 1971; SUTHERLAND, 2001b; XIE; LECOURTIER, 1992). Na figura

34 estão as curvas termogravimétricas das xantanas modificadas por desacetilação,

reticulação e troca iônica, aplicadas como modificação única ou em associação. As

xantanas naturais, obtidas nos diferentes pH (7 e 9) tiveram comportamento distinto

quanto à estabilidade térmica após as modificações químicas. A troca iônica

aumentou a resistência térmica das xantanas submetidas ao processo, com exceção

da xantana Xp 106 pH9 TI 5% Na. A decomposição da amostra propriamente dita se

inicia no segundo estágio de degradação (200 – 350ºC), e o aumento da resistência

de observa em função da temperatura de início da reação (onset).

Entre as xantanas Xp pH7 e derivadas, as maiores estabilidades térmicas,

determinadas por TGA e DTG, foram observadas para as xantanas submetidas à

troca iônica, nessa ordem: natural (onset~273ºC), desacetilada (onset~271ºC) e

desacetilada reticulada (onset~269ºC). As xantanas natural, desacetilada e

desacetilada reticulada sem troca iônica tiveram comportamento semelhante

(onset~263ºC). Entre as xantanas Xp pH9 e derivadas, as amostras desacetilada e

desacetilada reticulada submetidas à troca iônica tiveram a maior resistência

140

(onset~267ºC). As demais tiveram comportamento semelhante, com temperaturas

de onset entre 259ºC e 262ºC.

Todas as amostras de xantana submetidas à troca iônica tiveram um

comportamento diferenciado, com um estágio de perda de massa significativa entre

200 – 250ºC que não ocorre nas demais. Para Xp 106 pH7 a troca iônica diminuiu o

teor de perda de massa final para todas as amostras submetidas ao processo. Já

para Xp 106 pH9, as xantanas submetidas a troca iônica tiveram maior perda de

massa no intervalo de temperatura utilizado. Para essa xantana, a menor perda de

massa foi observada para a amostra desacetilada reticulada, que também teve

maiores viscosidade e viscoelasticidade.

A diferença no comportamento térmico entre as duas amostras pode estar

relacionada a diferenças na composição química dos polímeros (NITSCHKE;

THOMAS, 1995), uma vez que possuem diferentes teores de acetila e piruvato

(Tabela 2 do capítulo 3) em função da condição de pH utilizada durante o processo

fermentativo para sua produção, sendo ambos os teores maiores para xantana

produzida em pH7. Essas diferenças também resultam em diferentes graus de

incorporação de íons à molécula de xantana (KLAIC et al. 2016), promovendo

efeitos distintos sobre a estabilidade térmica do polímero.

141

Figura 34 - Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas a troca iônica e desacetiladas reticuladas submetidas a troca iônica com seus respectivos percentuais de perda de massa na faixa de temperatura de 30 a 350ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

142

Através da análise de DSC pode-se observar (Figura 35) que todas as

amostras modificadas, por um ou mais métodos, apresentaram picos endotérmicos

mais largos e em temperaturas mais baixas que as respectivas xantanas naturais.

Para as xantanas derivadas da Xp 106 pH7, a amostra desacetilada seguida de

reticulação teve o maior pico endotérmico, com valor próximo à xantana natural e

significativamente maior do que a xantana submetida apenas à desacetilação. Com

exceção à xantana 106 pH9 DESA TI 5% Na, cujo pico endotérmico foi observado

em temperatura superior ao da xantana desacetilada reticulada, a troca iônica, por

sua vez, resultou nas menores temperaturas de fusão, que foram reduzidas em

cerca de 30 - 40ºC. É importante salientar que o fenômeno de fusão diz respeito

apenas aos polímeros no estado sólido. Portanto, o comportamento observado pelas

análises de TGA e DTG é mais significativo, uma vez que xantana é usada

preponderantemente em solução.

143

Figura 35 - Análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) das xantanas pruni Xp 106 pH7 (A) e Xp 106 pH9 (B) naturais, desacetiladas, desacetiladas reticuladas, naturais submetidas a troca iônica, desacetiladas submetidas a troca iônica e desacetiladas reticuladas submetidas a troca iônica, na faixa de temperatura de 25 a 240ºC com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

144

5.4 Conclusões

As xantanas produzidas em pH 7 e 9 resultaram em polímeros diferentes e

com diferentes comportamentos frente às modificações químicas aplicadas.

A desacetilação como modificação única reduz a viscosidade e módulos

elástico e viscoso. A troca iônica, por sua vez, aumenta a viscosidade e os módulos

elástico e viscoso e reduz as temperaturas de fusão. O maior incremento na

resistência térmica é promovido pela troca iônica, enquanto que a desacetilação

seguida de reticulação proporciona melhoria nos parâmetros reológicos.

As modificações produzidas em polímeros naturais podem resultar em

produtos com características específicas para um propósito definido, e a associação

de modificações químicas pode ser uma forma de obter as características

desejadas. A associação da desacetilação com reticulação, por resultar em xantanas

com as maiores viscosidades, é a condição que gera xantanas com a mais ampla

gama de aplicações, de produtos alimentícios à exploração de petróleo.

145

Conclusões Gerais

O pH utilizado durante o processo fermentativo influencia o rendimento, as

características reológicas e a composição química das xantanas pruni. A cepa

utilizada também influencia as características físico-químicas dos polímeros obtidos.

A produção em pH alcalino proporciona a autodesacetilação das xantanas

pruni, sendo um processo cepa dependende, uma vez que gera níveis de

autodesacetilação diferentes para as cepas analisadas. O processo é mais eficiente

para cepa 101, com 88% de remoção dos grupos acetila, do que para cepa 106,

com 35% de remoção.

A efetividade da desacetilação termoquímica pós-fermentativa é proporcional

à força da base utilizada. Os parâmetros de tempo e temperatura influenciam a

eficiência da reação apenas quando a base utilizada é fraca (NH4OH). Embora a

desacetilação termoquímica pós-fermentativa não aumente a viscosidade das

xantanas pruni cepa 101 e 106, é um tratamento prévio importante, uma vez que as

xantanas submetidas à desacetilação pós-fermentativa seguida de reticulação têm

os maiores incrementos nas propriedades reológicas.

A modificação química de reticulação mediada por glutaraldeído é efetiva e

influenciada pelas características da xantana pruni e pelos parâmetros do processo -

concentração do agente reticulante, tempo e, principalmente, temperatura; e resulta

em incremento nas propriedades reológicas, de intumescimento e térmicas das

xantanas pruni estudadas.

A troca iônica incrementa os parâmetros reológicos das xantanas naturais e

desacetiladas, mas em menor escala que a reticulação das xantanas desacetiladas

pós-fermentativamente, além de aumentar a resistência térmica de todas as

amostras (naturais e modificadas) da xantana 106 pH7. A combinação da

146

desacetilação e reticulação resulta na melhor associação de modificações químicas

e a desacetilação justifica-se apenas como tratamento prévio à reticulação; já a troca

iônica é adequada como modificação única para as xantanas naturais.

Sendo assim, a associação de modificações em um mesmo polímero é

importante para obter produtos com características específicas e diferenciadas.

147

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