Extração e caracterização da galactomanana de sementes de caesalpinia pulcherrima

Extraction and characterization of the galactomannan from the seeds of Caesalpinia pulcherrima

Resumos

A galactomanana de sementes de Caesalpinia pulcherrima foi extraída em água e purificada, com rendimento de 25 %. A razão D-manose/D-galactose, M/G = 3,1, viscosidade intrínseca, [h] = 11,2 dL/g (em água a 298 K), e a massa molar viscosimétrica média, <img width=32 height=32 src="http://img/revistas/po/v9n2/7937s10.gif" align=absmiddle > ou = 1,7 x 10(6), foram determinadas. A variação da viscosidade específica sob taxa de cisalhamento zero, hsp0, em função do parâmetro de sobreposição, C[h], mostrou dependências de hsp0 a (C[h])1,1 e de hsp0 a (C[h])4,2, nos regimes diluído e concentrado, respectivamente. A correlação entre as propriedades reológicas sob cisalhamento contínuo e dinâmico obedeceram satisfatoriamente ao princípio de Cox-Merz.

Galactomanana; Caesalpinia pulcherrima; razão D-manose/D-galactose; propriedades reológicas em solução

The galactomannan from the seeds of Caesalpinia pulcherrima was extracted in water and obtained in 25 % yield, after purification. The D-mannose to D-galactose ratio, M/G = 3.1, the intrinsic viscosity, [h] = 11.2 dL/g (in water and 298K), and the viscosity-average molar mass, <img width=32 height=32 src="http://img/revistas/po/v9n2/7937s1.gif" align=absmiddle > or = 1.7 x 10(6), were determined. The dependence of the specific viscosity at zero shear rate, hsp0, on the coil overlap parameter, C[h], showed slopes of 1.1 and 4.2 for the dilute and concentrated regimes, respectively. The Cox-Merz rule was followed satisfactorily by solutions submitted to steady and dynamic flows.

Galactomannan; Caesalpinia pulcherrima; Dmannose to D-galactose ratio; rheological properties in solution

ARTIGO TÉCNICO CIENTÍFICO

Extração e caracterização da galactomanana de sementes de caesalpinia pulcherrima

Edwin G. Azero e Cristina T. Andrade

RESUMO: A galactomanana de sementes de Caesalpinia pulcherrima foi extraída em água e purificada, com rendimento de 25 %. A razão D-manose/D-galactose, M/G = 3,1, viscosidade intrínseca, [h] = 11,2 dL/g (em água a 298 K), e a massa molar viscosimétrica média, = 1,7 x 10⁶, foram determinadas. A variação da viscosidade específica sob taxa de cisalhamento zero, hsp₀, em função do parâmetro de sobreposição, C[h], mostrou dependências de hsp₀a (C[h])^1,1 e de hsp₀a (C[h])^4,2, nos regimes diluído e concentrado, respectivamente. A correlação entre as propriedades reológicas sob cisalhamento contínuo e dinâmico obedeceram satisfatoriamente ao princípio de Cox-Merz.

Palavras-chave: Galactomanana, Caesalpinia pulcherrima, razão D-manose/ D-galactose, propriedades reológicas em solução

Extraction and characterization of the galactomannan from the seeds of Caesalpinia pulcherrima

ABSTRACT: The galactomannan from the seeds of Caesalpinia pulcherrima was extracted in water and obtained in 25 % yield, after purification. The D-mannose to D-galactose ratio, M/G = 3.1, the intrinsic viscosity, [h] = 11.2 dL/g (in water and 298K), and the viscosity-average molar mass, = 1.7 x 10⁶, were determined. The dependence of the specific viscosity at zero shear rate, h_sp0, on the coil overlap parameter, C[h], showed slopes of 1.1 and 4.2 for the dilute and concentrated regimes, respectively. The Cox-Merz rule was followed satisfactorily by solutions submitted to steady and dynamic flows.

Keywords: Galactomannan, Caesalpinia pulcherrima, Dmannose to D-galactose ratio, rheological properties in solution.

Introdução

Galactomanana é a denominação dada a polissacarídeos neutros, extraídos do endosperma de sementes de certas leguminosas. Esses polímeros se constituem de um esqueleto formado por unidades repetidas de ß-D-manose, ligadas entre si por pontes de oxigênio do tipo 1® 4. Unidades a-D-galactose encontram-se ligadas à cadeia principal por ligações de oxigênio do tipo 1® 6. O teor e a distribuição das unidades D-galactose dependem da origem e da espécie de leguminosa, e das técnicas de extração utilizadas para a sua obtenção.

Dentre uma centena de espécies de leguminosas, cujo endosperma é constituído de galactomanana, apenas Ceratonia siliqua e Cyamopsis tetragonolobus têm sido extensamente cultivadas com fins comerciais. A primeira, C. siliqua, denominada de goma alfarroba ("carob gum" ou "locust bean gum"), LBG, pertence à sub-familia Caesalpiniaceae, e é originária do litoral mediterrâneo. A árvore pode alcançar 9 m de altura, mas leva em média 15 anos para frutificar^[1]. Ela foi a única fonte de galactomanana até a Segunda Guerra Mundial. Na década de 40, devido à carência de goma alfarroba, a planta guar (C. tetragonolobus), originária do Paquistão, foi aclimatada nos Estados Unidos^[2]. Desde então, a produção de sua goma, GG, ultrapassa à de alfarroba^[1,2].

As galactomananas produzem soluções aquosas de viscosidade elevada, o que as torna comercialmente úteis, principalmente como espessantes de sistemas aquosos. Dentre as duas galactomananas comerciais, a goma alfarroba é a que apresenta o menor teor em D-galactose. A Tabela 1 apresenta a composição e algumas outras características das gomas alfarroba e guar, de acordo com a literatura^[3].

A razão M/G exerce influência sobre a solubilidade relativa das galactomananas. Em geral, quanto maior o teor em D-galactose, maior a sua solubilidade em água^[4]. Enquanto que a GG solubiliza-se completamente em água fria, a LBG só pode ser dispersa pelo aquecimento a 80 ¾ 90 ^oC, durante 15 a 20 minutos. A razão M/G não é o único fator a influenciar as propriedades funcionais das galactomananas e contribuir para a sua utilização industrial. A massa molar e a distribuição seqüencial dos resíduos galactopiranosila, ao longo da cadeia principal, são também importantes.

A produção de galactomananas constitui-se em atividade lucrativa em muitas regiões do mundo e compreende várias etapas, que vão do plantio e colheita de sementes até a obtenção industrial da goma. O primeiro passo para a avaliação de um produto novo consiste no estudo de suas propriedades funcionais, o que usualmente é realizado através de sua caracterização reológica.

O comportamento reológico em solução das gomas alfarroba^[5-7] e guar^[8-11] foi estudado por diversos autores. No entanto, pouco tem sido relatado sobre as propriedades funcionais de galactomananas de fontes não-tradicionais^[12-14]. Neste trabalho, como parte de um projeto extenso, no qual outras fontes não-tradicionais de galactomananas foram estudadas, as sementes de Caesalpinia pulcherrima, arbusto aclimatado e disseminado no país, e conhecido vulgarmente como "barba de barata", foram utilizadas. Após extração e purificação, o produto obtido, goma CP, foi caracterizado quanto à razão M/G e submetido a experimentos reológicos sob cisalhamento contínuo e oscilatório.

Experimental

Materiais

Sementes de Caesalpinia pulcherrima, colhidas de árvores selecionadas no Estado do Rio de Janeiro, foram secas ao sol e trituradas em moinho. A extração de lipídeos foi realizada em Soxhlet, com a mistura tolueno:álcool etílico (2:1), durante um período de 16 horas. Após secagem, o pó resultante foi suspenso em água e o polissacarídeo foi extraído sob agitação a temperatura ambiente, durante 1 noite. A mistura foi filtrada em papel. O filtrado foi centrifugado a 12.000 rpm durante 1 h. Após separação da solução sobrenadante, a galactomanana foi recuperada por precipitação em volume duas vezes superior de álcool isopropílico. O produto foi lavado duas vezes com álcool isopropílico. Acetona e éter etílico foram usados em lavagens subseqüentes^[7], após as quais o produto foi seco em estufa a 40°C.

Métodos

A razão M/G foi determinada após hidrólise ácida e análise dos monossacarídeos resultantes por cromatografia de troca iônica de alta eficiência com detecção amperométrica pulsada, HPAEC-PAD. Para a reação de hidrólise, uma dispersão de polissacarídeo de concentração 80 mg/mL, foi preparada em solução aquosa de H₂SO₄ 6N, e mantida sob agitação a temperatura ambiente, durante 1 h e 30 min. A dispersão foi diluída a 29 mg/mL e a reação prosseguiu por um período adicional de 2 horas. A mistura resultante da hidrólise foi filtrada através de membranas Millipore de 0,45 mm, injetada no cromatógrafo e analisada com auxílio de 2-deoxi-D-ribose como padrão^[15].

Os teores de umidade e de cinzas foram determinados de acordo com os métodos ASTM D1439-72 e ASTM D1347-72. O teor total de nitrogênio foi determinado pelo método de Kjeldahl; o fator 5,87 foi utilizado para o cálculo da porcentagem total de proteína^[16].

As soluções poliméricas de diferentes concentrações foram preparadas a partir de diluições de uma solução-mãe, obtida através de agitação a temperatura ambiente, durante uma noite. As concentrações reais foram determinadas em triplicata, após evaporação do solvente em estufa a 105 ± 1 °C, durante 2 horas. Após resfriamento em dessecador, este procedimento foi repetido até atingir-se massa constante, isto é, até a perda de massa não ultrapassar 5 mg após 30 minutos de tempo de secagem (ASTM D1439-72).

Para a determinação da viscosidade intrínseca, [h], uma solução-mãe a 0,5 g/L foi preparada e centrifugada a 12.000 rpm durante 1 h. Soluções diluídas em água e homogeneizadas em misturador tipo vortex da marca Ika-Vibro-Fix foram analisadas sob cisalhamento contínuo em reômetro Contraves Low Shear-40, equipado com geometria de cilindros coaxiais (MS-DIN 412), na faixa de taxa de cisalhamento, , correspondente ao platô Newtoniano. As concentrações das soluções foram escolhidas de modo a fornecer viscosidades relativas entre 1,2 a 2,0, e garantir a extrapolação linear à concentração zero^[17]. As equações de Huggins (Equação 1) e de Kraemer (Equação 2) foram utilizadas.

onde k_H e k_K são os coeficientes de Huggins e de Kraemer, respectivamente, e C é a concentração da solução, dada em g/dL.

A massa molar viscosimétrica média, , foi calculada pela equação proposta por Doublier e Launay^[5] para a goma guar, e posteriormente modificada^[6] por Gaisford e colaboradores,

onde r representa a razão galactose/(manose + galactose) e [h] a viscosidade intrínseca, dada em dL/g.

Ensaios reológicos sob cisalhamento contínuo de soluções de concentrações 1,2 a 10 g/L foram realizados em reômetro Contraves Low Shear-40, equipado com a mesma geometria descrita acima, na faixa de entre 10^-3 a 10² s^-1. Para as soluções mais concentradas (C > 5,0 g/L) medidas foram realizadas em reômetro de tensão controlada Haake RS 100, com geometria cone-placa, ângulo do cone de 4°, na faixa de entre 0,1 a 720 s^-1.

Ensaios reológicos sob cisalhamento oscilatório, em função da freqüência, w, foram realizados no reômetro Haake com a mesma geometria, na faixa de 10^-2 a 10² rad s^-1. A deformação foi fixada em 2,0, a fim de garantir-se condições de trabalho dentro da região viscoelástica linear. Todos os experimentos foram realizados a 25°C.

Resultados e Discussão

Nas sementes de Caesalpinia pulcherrima, o endosperma representa em média 38-40% da massa total da semente seca. Resultados da literatura mostram valores de 42-46% para a goma alfarroba^[18] e de 35-42% para a goma guar^[9]. Nos processos industriais de extração, após a separação das sementes das vagens, alguns métodos têm sido usados para separar com eficiência o endosperma, da casca e do gérmen. A extração da galactomanana usualmente envolve uma remoção preliminar da casca dura. Um dos métodos adota a carbonização a temperaturas superiores a 100°C e, depois, o material resultante é moído. Em outro processo muito usado industrialmente, a semente é submetida a tratamento com ácido sulfúrico para separar a casca dos demais constituintes. A moagem das sementes secas é também utilizada. Neste trabalho, a moagem das sementes secas precedeu a extração da goma CP. Com a finalidade de obter-se produtos de pureza elevada, a extração e a purificação foram realizadas sucessivamente, sem o isolamento intermediário do produto bruto. O rendimento em polissacarídeo foi de 25%.

A Tabela 2 apresenta a composição da goma CP purificada. Os valores apresentados correspondem à média de três determinações. A partir desta tabela e de dados da literatura para a goma alfarroba^[3], pode-se verificar que o processo de purificação foi eficiente para eliminar, ao menos em boa parte, cinzas e proteínas. O valor encontrado para a razão D-manose/D-galactose, M/G = 3,1, apresenta-se intermediário aos valores citados para as galactomananas comerciais^[3].

A Figura 1 mostra as extrapolações de Huggins e de Kraemer para a goma CP. As relações levaram a extrapolações razoavelmente lineares à diluição infinita, com uma convergência satisfatória das duas retas.

Para a determinação de [h], os resultados médios de viscosidade relativa de soluções diluídas no platô Newtoniano foram considerados. O valor determinado através da extrapolação de Huggins, [h] = 11,2 dL/g, é maior do que aqueles determinados para amostras comerciais de GG, para os quais [h] variou na faixa^[5] 2,3 a 10,0 dL/g.

A constante k_H caracteriza a variação da viscosidade com a concentração e é considerada como um índice que mede as interações polímero-solvente. O seu valor é influenciado pela agregação entre as macromoléculas. Normalmente, k_H varia de 0,3 a 0,7 em bons solventes^[20]. O valor k_H = 0,6, determinado no presente estudo, evidencia a eficiência do processo de solubilização da goma CP. A massa molar viscosimétrica média, = 1,7 x 10⁶, calculada a partir da Equação 3, confirma a característica comum às galactomananas de possuírem altas massas molares.

A Figura 2 mostra curvas de fluxo obtidas no reômetro LS-40. Nessas curvas, a variação da viscosidade relativa, h_rel, em função de , pode ser observada para soluções aquosas da goma CP, a concentrações na faixa de 1,2 a 10 g/L. Para as soluções mais diluídas, o comportamento Newtoniano é observado. Soluções de concentrações mais elevadas apresentam comportamento levemente pseudoplástico, cujo início depende da concentração.

Em soluções de concentração moderada, a viscosidade é controlada principalmente pelo volume total ocupado pelos novelos poliméricos, caracterizado pelo parâmetro de sobreposição, C[h]. Este parâmetro é independente do tipo e da massa molecular do polímero. Para vários polímeros, inclusive polissacarídeos, que em solução apresentam conformação desordenada, uma curva-mestra do tipo log hsp₀ versus log C[h] é obtida. Esta curva pode ser subdividida em duas regiões lineares, com uma única concentração crítica reduzida^[21], em geral dada por C*[h] » 4. Esta concentração delimita os regimes diluído e concentrado. O regime diluído, no qual a viscosidade é determinada por moléculas isoladas, é caracterizado pela variação da viscosidade em função de C*[h] com inclinações na faixa 1,2 a 1,4. Para o regime concentrado, no qual as cadeias macromoleculares encontram-se entrelaçadas, a inclinação aumenta^[21] para » 3,4. No entanto, as galactomananas apresentam desvios desse comportamento generalizado^[21], com valor de C*[h] » 2,5 e inclinações para o regime concentrado na faixa^{[3,9,13,14,21]} de 3,9 - 6,6. Esses desvios têm sido atribuídos a associações intermoleculares específicas, denominadas de hiper-entrelaçamentos, entre as regiões não-substituídas da cadeia principal da galactomanana. Para a goma CP, a dependência da viscosidade com a concentração crítica reduzida na região correspondente ao regime diluído apresenta uma inclinação de 1,1 e, na região correspondente ao regime concentrado, esta dependência é de 4,2. A variação da viscosidade específica sob taxa de cisalhamento zero, hsp₀, com o parâmetro de sobreposição, C[h], é mostrada na Figura 3.

A investigação do caráter viscoelástico de sistemas poliméricos pode ser realizada através da aplicação de deformações pequenas, em experimentos sob cisalhamento oscilatório. A variação do módulo de armazenamento, G', do módulo de perda, G", e da viscosidade dinâmica, h*, com a freqüência oscilatória, w, fornece informação sobre o caráter viscoelástico do sistema. A Figura 4 mostra o espectro mecânico obtido para soluções da goma CP a 10, 8,0, e 5,0 g/L, concentrações superiores à C*. Na faixa de freqüência oscilatória empregada, as soluções da goma CP apresentaram comportamento típico de sistemas com entrelaçamentos físicos. Sob freqüências baixas, o comportamento típico de um líquido é observado, com G" > G'. A freqüências mais elevadas, o sistema comporta-se como sólido, com G' > G". A freqüência correspondente ao ponto de interseção de G'com G", que pode ser tomado como o início do platô elástico, desloca-se para valores mais baixos com o aumento da concentração.

A correlação entre as propriedades reológicas sob cisalhamento contínuo e as propriedades reológicas sob cisalhamento oscilatório, para valores correspondentemente iguais de e w, tem sido investigada na literatura para polímeros sintéticos ^[22], bem como para soluções de biopolímeros ^[11]. Esta correlação empírica, denominada de regra de CoxMerz^[23], foi aplicada às soluções da goma CP nas concentrações 10,0, 8,0 e 5,0 g/L. Na Figura 5, pode-se observar a quase perfeita superposição de h_ap() e h*(w), para as três soluções, o que evidencia que, ao menos na faixa 10^-1<<10² estudada, rearranjos moleculares semelhantes ocorreram, tanto sob cisalhamento contínuo como oscilatório.

Conclusão

A galactomanana de sementes de Caesalpinia pulcherrima, goma CP, após extração da semente moída e purificação, foi obtida com alto rendimento. A razão D-manose/D-galactose, M/G = 3,1, determinada para a goma CP, pode ser considerada um valor intermediário àqueles citados na literatura para as galactomananas comerciais, LBG e GG. Os valores de viscosidade intrínseca e de massa molecular viscosimétrica média, determinados para essa galactomanana, mostraram-se comparáveis àqueles reportados na literatura para galactomananas comerciais. O comportamento da viscosidade em função da concentração e as propriedades viscoelásticas da goma CP seguiram o padrão característico, observado para galactomananas comerciais. Conseqüentemente, pode-se afirmar que a goma CP constitui-se em fonte alternativa para as galactomananas existentes no mercado.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Dr. G. Cruz pela determinação da razão M/G, ao CENPES-PETROBRÁS pela utilização do reômetro Haake RS 100, ao CEPG-UFRJ, à CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro.

Recebido: 18/11/98

Aprovado: 08/04/99

Edwin G. Azero e Cristina T. Andrade, Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Centro de Tecnologia, Bloco J, C. P. 68525, CEP: 21945-970 , Rio de Janeiro, RJ.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  24 Jun 2010
• Data do Fascículo
  Jun 1999

Histórico

• Recebido
  18 Nov 1998
• Aceito
  08 Abr 1999