CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DA MADEIRA DE Hovenia dulcis Thunb.

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DA MADEIRA DE Hovenia dulcis Thunb. Rodrigo Otávio Veiga de Miranda 1, Heloísa Rancatti 2, Gilmara de Oliveira Machado 3, Izabele Domingues Soares 4, Mailson Roik 2 1 Doutorando em Engenharia Florestal da Universidade Federal do Paraná (rov_miranda@yahoo.com.br), Curitiba, Paraná, Brasil. 2 Mestre em Ciências Florestais na Universidade Estadual do Centro Oeste, Irati, Paraná, Brasil. 3 Profª Drª. do Departamento de Engenharia Florestal da Universidade Estadual do Centro Oeste, Irati, Paraná, Brasil. 4 Mestranda em Engenharia Florestal da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Paraná, Brasil. Recebido em: 30/09/2013 Aprovado em: 08/11/2013 Publicado em: 01/12/2013 RESUMO O objetivo deste trabalho foi apresentar a caracterização química da madeira de Hovenia dulcis Thunb. devido, entre outros aspectos, à escassez de informações sobre a espécie na literatura usual e, através dos resultados obtidos, contribuir para a indicação da melhor utilização desta madeira. Nessa caracterização, foram quantificados os teores de extrativos, cinzas, lignina e de polissacarídeos (celulose e hemicelulose). As amostras de madeira foram tratadas com etanol e água para determinação do teor de extrativos; o teor de cinzas foi determinado segundo a norma TAPPI T-211 om-85; o de lignina pela norma TAPPI T-222 om-88 e o de polissacarídeos por diferença de 100% da soma dos teores de extrativos, cinzas e lignina. Os resultados obtidos para a espécie foram comparados com resultados encontrados na literatura, sendo obtido um teor de extrativos de 14,50%, lignina 27,24%, cinzas 0,28% e teor de polissacarídeos de 57,98%. Esses valores sugerem um grande potencial desta madeira em aplicações como recurso energético. PALAVRAS-CHAVE: Uva do Japão, extrativos, cinzas, lignina. CHEMICAL CHARACTERIZATION AND POTENTIAL USE OF WOOD Hovenia dulcis Thunb. ABSTRACT The objective of this work was to present the chemical characterization of wood from Hovenia dulcis Thunb. due, among other things, the lack of information on the species in the literature, and through the usual results obtained, contribute to the indication of the best use of this wood. That description, were quantified the levels of extractives, ash, lignin and polysaccharides (cellulose and hemicellulose). The wood samples were treated with ethanol and water for determination of extractives content; the ash content was determined according to the TAPPI standard T-211 om-85; the lignin by TAPPI standard T-222 om-88 and the polysaccharides by difference of 100% of the sum of the contents of extractives, lignin and ash. The results obtained ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

2 for the species were compared with results found in the literature, being obtained a extractives content of 14,50 %, lignin 27,24 %, ash 0,28% and content of polysaccharides of 57,98 %. These values suggest a great potential of this wood in applications such as energy resource. KEYWORDS: Grape Japan, extractives, ash, lignin. INTRODUÇÃO Hovenia dulcis Thunb., vulgarmente conhecida como uva do Japão, é uma espécie florestal pertencente a um pequeno gênero da família Rhamnaceae. Conforme Hyun et al. (2010), trata-se de uma espécie que ocorre naturalmente no Japão, Coréia e China Oriental, tendo sido introduzida em diferentes países como EUA, Austrália, Nova Zelândia e África Central, e em florestas tropicais da América do Sul. Está entre as espécies exóticas que se adaptaram bem ao clima brasileiro (TOMAZELI et al., 2012). É uma árvore caducifólia, de porte médio e pequeno diâmetro, com copa aberta, globosa e ampla, caule com crescimento rápido, com aproximadamente 25 m de altura (RUPP, 2010). É uma espécie tolerante a geadas e que apresenta multiplicidade de usos, sendo comum em propriedades agrícolas do sul do Brasil (CARVALHO, 1994). É visto também que a madeira de Hovenia dulcis apresenta excelentes características para uso industrial, em móveis, pisos, paredes e armações, como energia devido a seu bom poder calorífico (SELLE et al., 2009), além de possuir resistência natural ao fungo Pycnoporus sanguineus (MODES et al., 2012). De acordo com Graça e Tavares (1988), esta planta já vem sendo cultivada e explorada economicamente no Rio Grande do Sul, atendendo à indústria moveleira. Sua madeira é de ótima qualidade, possuindo características físico-mecânicas similares às do louro-pardo (Cordia trichotoma (Vell.)) e, por essa razão, a indústria madeireira e moveleira da região de Caxias do Sul/RS já vem executando plantios em pequena escala desta espécie, obtendo bons resultados (VIVIAN et al., 2010). A partir destas informações, verifica-se a importância do estudo sobre esta espécie que, além dos vários usos que propicia não se encontram muitos trabalhos sobre a mesma em publicações científicas. Um destes estudos trata da caracterização química da madeira, a qual permite contribuir para uma melhor definição do uso da mesma. A madeira é um material orgânico e seus constituintes químicos estão relacionados com suas propriedades, sendo este conhecimento importante para a definição do melhor uso para o material. A composição química da madeira é caracterizada pela presença de componentes fundamentais e não essenciais. Os componentes fundamentais caracterizam a madeira, já que são partes integrantes das paredes das fibras e da lamela média. São considerados componentes fundamentais a celulose, as hemiceluloses e a lignina (SANTOS, 2008), caracterizando as macromoléculas. Na Figura 1 está a representação esquemática das moléculas de lignina e celulose e na Figura 2 encontra-se a representação esquemática da hemicelulose, ambas citadas por Santos et al. (2012). ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

3 Figura 1. Representação esquemática da lignina (à esquerda) e da celulose (à direita). Fonte: Adaptado de Santos et al. (2012). Figura 2. Representação esquemática da hemicelulose. Fonte: Adaptado de Santos et al. (2012). Já os componentes não essenciais de natureza orgânica não pertencem à parede celular e são denominados extrativos (SJÖSTRÖM e ALÉN, 1998). Conforme os mesmos autores, estes compostos, solúveis em solventes orgânicos, pertencem às classes dos ácidos e ésteres graxos, alcoóis de cadeia longa, esteroides, compostos fenólicos e glicosídeos. Na madeira também são encontrados compostos minerais cujo teor corresponde a valores que variam de 0,1% a 1,0% nas madeiras em geral, e são denominados cinzas (FENGEL e WEGENER, 1989). O teor de cinzas fornece informações da quantidade de substâncias inorgânicas provenientes, principalmente, da seiva bruta e é geralmente constituído pelos íons de cálcio, manganês, ferro, magnésio, cobre, alumínio, potássio, etc. e, normalmente é encontrado na forma de silicatos, carbonatos, fosfatos e sulfatos (COSTA et al., 1997). Diante do exposto, este trabalho tem como objetivo a caracterização química da madeira de uva do Japão (Hovenia dulcis) determinando seu teor de extrativos, cinzas, lignina e de polissacarídeos. Por meio dessa quantificação, pretende-se indicar o melhor potencial de aplicação desta espécie. Procedência da Madeira Utilizada MATERIAL E MÉTODOS A madeira selecionada foi proveniente da região da cidade de Irati, Estado do Paraná. A cidade está localizada nas coordenadas 25º27 56 de latitude Sul com interseção com o meridiano 50º37'51" de longitude Oeste, no segundo planalto paranaense. O clima do município é classificado como do tipo Cfb (método de Köppen), clima subtropical úmido mesotérmico, não apresentando estação seca (PREFEITURA DE IRATI, 2012). ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

4 As amostras foram obtidas de discos retirados na altura referente ao diâmetro à altura do peito (DAP), a 1,30 m em relação ao nível do solo. Destes discos, foram obtidos os corpos de prova para serem utilizados na análise, os quais, posteriormente, foram lixados resultando em serragem. Para este trabalho, foi utilizada a fração que passou pela peneira de 42 mesh e ficou retida na de 60 mesh. A caracterização química da madeira foi realizada segundo a norma TAPPI (Technical Association of the Pulp and Paper Industry). Para as análises, utilizou-se cerca de 100 g desta serragem. A fim de se reduzir o erro experimental, todas as análises foram realizadas em quadruplicata (quatro repetições) determinando-se a média, o desvio padrão e o coeficiente de variação de cada ensaio. Determinação do Teor de Umidade O teor de umidade da amostra foi quantificado pelo método da secagem em estufa. Tal método consiste em se colocar uma massa conhecida do material na estufa, regulada a 105 ºC com tempo de permanência determinado por pesagem até massa constante. Por diferença entre a massa inicial e a final, calcula-se o teor de umidade. Para este trabalho, a determinação do teor de umidade se deu a partir de uma amostra de 1 g de serragem, sendo utilizada a seguinte equação prevista na NBR 7190 (ABNT, 1997). mi ms U (%) = 100 ms (Equação 1) Onde: U(%) = teor de umidade percentual; m i = massa inicial da amostra, em gramas; e m s = massa da amostra seca na estufa, em gramas. Determinação do Teor de Extrativos A serragem de madeira foi tratada com água destilada e etanol para remover os compostos orgânicos de baixa massa molar, solúveis em meio aquoso e orgânico. Pesou-se, em balança analítica, 3 g de serragem de madeira, a qual foi colocada num balão de fundo redondo, acoplado a um condensador de refluxo, onde foi acrescentado 300 ml de solução de álcool e água destilada (proporção 1:1). O sistema foi deixado sob refluxo por 30 minutos, medido a partir do ponto de ebulição da solução. Após este procedimento, a serragem foi filtrada em papel de filtro previamente pesado e de teor de umidade conhecido. O filtro mais o resíduo refluxado foram secos em estufa de circulação de ar até, no máximo, 40 ºC de temperatura. A baixa temperatura de secagem foi para que não ocorresse degradação térmica dos polissacarídeos (celulose e hemicelulose) e lignina, os quais iriam ser quantificados nos ensaios posteriores. A degradação térmica da celulose ocorre a temperaturas entre 200 e 280 ºC; da hemicelulose de 160 a 260 ºC, constituindo o primeiro carboidrato da madeira a se degradar; e da lignina ocorre entre 225 e 450 ºC, sendo termicamente o carboidrato mais resistente que compõe a madeira (SCHAFFER, 1973). Em seguida, foi determinado o teor de umidade da serragem após a extração. O teor de extrativos foi determinado de acordo com a norma ABTCP M3/69 (ABTCP, 1974). ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

5 m m S % = m (Equação 2) Em que: S = teor de extrativos, em percentagem; m 1 = massa, em gramas de amostra seca antes da extração em água e álcool; e m 2 = massa, em gramas, de amostra seca após a extração. Determinação do Teor de Cinzas Neste ensaio, usou-se cadinho de porcelana previamente tarado a 600 ºC por 3 h. Para a determinação do teor de cinzas, ou teor de inorgânicos, as amostras foram colocadas em cadinho de porcelana, numa mufla, à temperatura de 750 ºC por 6 h, para a completa degradação térmica dos compostos orgânicos. As amostras calcinadas foram colocadas em dessecador para resfriamento até massa constante. O teor de cinzas foi calculado de acordo com a norma TAPPI T-211 om-85 (TAPPI, 1999a). Pc Cinzas (%) = 100 P (Equação 3) Sendo: Cinzas (%) = teor de cinzas, em percentagem; P c = peso das cinzas (g); e P = peso da amostra seca em estufa (g). Determinação do Teor de Lignina Klason insolúvel Na determinação do teor de lignina é importante que o método de extração elimine os extrativos da madeira sem, no entanto, alterar significativamente a lignina e os polissacarídeos presentes na mesma. Nesse sentido, foram utilizadas, nessa análise, serragens de madeira livre de extrativos conforme descrito anteriormente e com teor de umidade conhecido. A lignina foi isolada como resíduo utilizando-se ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) concentrado 72%. Nesse meio, os polissacarídeos são hidrolisados em açúcares simples e facilmente removidos da madeira por meio de solubilização em solvente aquoso. A lignina, insolúvel neste meio, foi removida por simples filtragem. O uso de ácido sulfúrico 72% para o isolamento leva à lignina denominada Klason. Para quantificação do teor de lignina, pesou-se 1 g de serragem de madeira seca e transferiu-a para um frasco de erlenmeyer de 100 ml com tampa. Foram adicionados, lentamente, 15 ml de H 2 SO 4 72% e, em seguida, procedeu-se a agitação magnética por 2 h à temperatura ambiente. Depois, realizou-se uma póshidrólise, diluindo a solução ácida da seguinte forma: transferiu-se a solução, do erlenmeyer para um balão de refluxo de 500 ml, utilizando 300 ml de água destilada para lavagem do erlenmeyer. O sistema foi deixado em refluxo por 4 h, após início da fervura. Assim, o volume final da solução foi igual a 315 ml. Ao final do tempo de refluxo, aguardou-se o resfriamento do sistema e, após, a lignina foi filtrada. Esta filtragem foi realizada utilizando-se 2 l de água destilada a 100 C, para a total remoção do ácido. O material retido no filtro (lignina) foi colocado para secagem em estufa a 100 ºC por 24 h. O teor de lignina Klason insolúvel foi determinado conforme a norma TAPPI T-222 om-88 (TAPPI, 1999b), sendo ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

6 calculado de acordo com a equação 4. L Li (%) = 100 P (Equação 4) Onde: Li = Teor de lignina Klason insolúvel, em percentagem; L = peso a.s. da lignina (g); e P = peso a.s. da serragem inicial (g). Determinação do Teor de Polissacarídeos A determinação do teor de polissacarídeos da madeira (celulose e hemicelulose) foi através do método da diferença (análise somativa). Considerando-se o total de constituintes químicos na madeira como 100% e, subtraindo-se deste os teores de extrativos, cinzas e lignina, têm-se o teor de polissacarídeos da amostra de madeira. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 mostra os resultados da análise química para a amostra de Hovenia dulcis, assim como os intervalos baseados em resultados da literatura para espécies de folhosas. Nesta tabela, observa-se que o teor de extrativos foi de 14,50%, estando dentro do intervalo para folhosas. Rigatto et al. (2001), num trabalho de caracterização física, química e anatômica de madeira dessa mesma espécie, encontraram um teor de extrativos de 7,00%. Para o teor de cinzas foi encontrado no trabalho um valor de 0,28% e de acordo com a literatura o valor geralmente varia de 0,1% a 1,0% nas madeiras em geral (FENGEL e WEGENER, 1989). Em um estudo realizado com resíduos lignocelulósicos da madeira, serragem e maravalha, Paula et al. (2011) encontraram valores de 0,18 e 0,13% de teor de cinzas, respectivamente. A espécie apresentou alto teor de lignina, 27,24%. Santana (2009) em seu trabalho visando à caracterização da madeira de Eucalyptus grandis e Eucalyptus urophylla para fins energéticos em relação ao efeito da idade encontrou teor de lignina variando de 28,20 a 29,62%. Finalmente, o teor de polissacarídeos (celulose e hemicelulose) foi de 57,98%, abaixo dos valores esperados para uma folhosa, cujo valor geralmente é de 65% a 75% (HILL, 2006). Santos (2008) encontrou teores de polissacarídeos, em espécies lenhosas do cerrado, que variaram de 67,69 a 74,84%, ou seja, valores dentro do padrão encontrado na literatura. Tabela 1. Resultados da análise química de Hovenia dulcis. Teor do Componente Média e Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) Valores da Literatura (%) Cinzas 0,28 ± 0,06 21,43 0,1 1,0 Extrativos 14,5 ± 0,14 0,97 2,0 18,0 Lignina 27,24 ± 0,94 3,45 20,0 25,0 Polissacarídeos 57,98 ± 0,89 1,54 65,0 75,0 Ainda de acordo com a Tabela 1, observa-se baixo coeficiente de variação para os teores de extrativos, lignina e polissacarídeos, indicando boa precisão nas estimativas médias dos respectivos teores. No entanto, tal valor para o teor de cinzas apresentou-se mais elevado, sendo de 21,43%, porém, resultado esperado ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

7 devido à pequena quantidade deste componente na madeira e à alta variabilidade nos experimentos e nas diferentes repetições. O baixo teor de cinzas (0,28%) é um bom indicativo para aplicação desta madeira como combustível. Geralmente, em aplicações como energia, indica-se a escolha de madeiras de baixo teor de inorgânicos já que, quando presentes em percentual elevado, favorecem a produção de alto teor de resíduos na combustão. Ainda, as cinzas contribuem, quando se utiliza grande quantidade de biomassa, para um menor rendimento energético na queima, uma vez que o processo de fusão dos inorgânicos absorve parte da energia liberada. Os minerais presentes na biomassa, quando queimados em fornalhas e caldeiras, podem formar incrustações nos equipamentos e tubulações. Após a queima, as cinzas comportam-se como a porção residual e exigem um sistema próprio para sua retirada e, por serem um material abrasivo, podem causar problemas de corrosão em equipamentos metálicos. Altos teores de lignina, bem como baixo teor de cinzas, aliados ao crescimento rápido desta espécie são características desejadas no uso desta madeira como combustível, uma vez que esses parâmetros determinam grande disponibilidade desta biomassa e maior quantidade de energia liberada em reações de combustão. CONCLUSÃO A partir da caracterização química da madeira de uva do Japão (Hovenia dulcis) foram determinados o teor de extrativos, cinzas, lignina e polissacarídeos. Conforme os resultados deste estudo, conclui-se que a madeira desta espécie apresentou teor de extrativos de 14,50%, elevado teor de lignina (27,24%), percentual de cinzas de 0,28% e baixo teor de polissacarídeos (57,98%). Os resultados sugerem alto potencial de aplicação desta madeira como recurso energético na forma de lenha ou seu derivado mais energético, o carvão vegetal. REFERÊNCIAS ABTCP - Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel. Métodos de ensaio. São Paulo, ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR Projeto de estruturas de madeira. Anexo B - Determinação das propriedades das madeiras para projetos de estruturas. Rio de Janeiro: ABNT, p. CARVALHO, P. E. R. Ecologia, silvicultura e usos da Uva-do-japão (Hovenia dulcis Thunb.). Colombo: EMBRAPA-CNPF, p. (EMBRAPA-CNPF. Circular Técnica, 23). COSTA, M. M.; COLODETTE, J. L.; GOMIDE, J. L.; FOELKEL, C. E. B. Avaliação preliminar do potencial de quatro madeiras de eucalipto na produção de polpa solúvel branqueada pela sequência AO(ZQ)P. Revista Árvore, v.21, n.3, p , FENGEL, D.; WEGENER, G. Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. Berlin: Walter de Gruyter, p. GRAÇA, M. E. C.; TAVARES, F. R. Viabilidade da estaquia para a propagação ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

8 vegetativa de Uva-do-japão. Curitiba: EMBRAPA-CNPF, p. (EMBRAPA- CNPF. Circular técnica, 19). HILL, C. A. S. Wood modification chemical, thermal and other processes. West Sussex: John Wiley, p. HYUN, T. K.; EOM, S. H.; YU, C. Y.; ROITSCH, T. Hovenia dulcis An Asian Traditional Herb. Planta Med, New York, vol. 76, MODES, K. S.; LAZAROTTO, M.; BELTRAME, R.; VIVIAN, M. A.; SANTINI, E. J.; MUNIZ, M. F. B. Resistência natural das madeiras de sete espécies florestais ao fungo Pycnoporus sanguineus causador da podridão-branca. Cerne, Lavras, v.18, n.3, p , PAULA, L. E. R.; TRUGILHO, P. F.; REZENDE, R. N.; ASSIS, C. O.; BALIZA, A. E. R. Produção e avaliação de briquetes de resíduos lignocelulósicos. Pesquisa Florestal Brasileira, Colombo, v.31, n. 66 p , PREFEITURA DE IRATI. Disponível em: < clima.asp>. Acesso em: 13 abr RIGATTO, P. A.; PEREIRA, J. C. D.; MATTOS, P. P.; SCHAITZA, E. G. Características físicas, químicas e anatômicas da madeira de Hovenia dulcis. Comunicado Técnico, n. 66, Embrapa, Colombo, RUPP, A. Uva do Japão. Sustentabilidade Comunitária: Conhecimentos e técnicas para comunidades autossustentáveis, jun Disponível em: < Acesso em: 15 out SANTANA, W. M. S. Crescimento, produção e propriedades da madeira de um clone de Eucalyptus grandis e E. urophylla com enfoque energético f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG, SANTOS, F. A.; QUEIRÓZ, J. H.; COLODETTE, J. L.; FERNANDES, S. A.; GUIMARÃES, V. M.; REZENDE, S. T. Potencial da palha de cana-de-açúcar para produção de etanol. Química Nova [online], São Paulo, vol.35, n.5, Disponível em < 0025> Acesso em: 28 de set SANTOS, I. D. Influência dos teores de lignina, holocelulose e extrativos na densidade básica, contração da madeira e nos rendimentos e densidade do carvão vegetal de cinco espécies de lenhosas do cerrado f. Dissertação (Mestrado em Ciências Florestais) - Universidade de Brasília, Brasília, DF, SCHAFFER, E. L. Effect of Pyrolytic Temperatures on the Longitudinal Strenght of Dry Douglas Fir. Journal of Testing and Evaluation, v.1, n.4, p , ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p

9 SELLE, G. L.; FLEIG, F. D.; VUADEN, E.; ALBERNARD, L. A. J.; BRAZ, E. M. Índices de sítios para Hovenia dulcis Thunberg na região central do estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Ciência Florestal, Santa Maria, v. 19, n. 4, p , jul./set SJÖSTRÖM, E.; ALÉN, R. Analytical methods in wood chemistry, pulping, and papermaking. Berlin: Springer-Verlag, p. TAPPI - TECHNICAL ASSOCIATION OF THE PULP AND PAPER INDUSTRY. Test methods. Atlanta: TAPPI Press, 1999a. TAPPI - TECHNICAL ASSOCIATION OF THE PULP AND PAPER INDUSTRY. Acid insoluble lignin in wood and pulp. TAPPI T-222 om-88. Atlanta: Tappi Press, 1999b. TOMAZELI, A. J.; GRASSMANN, A.; TREVISAN, R.; WASTOWSKI, A. D.; ROSA, G. M. Durabilidade natural de duas espécies florestais em campo de apodrecimento. In: CONGRESSO FLORESTAL ESTADUAL DO RS E 2º SEMINÁRIO MERCOSUL DA CADEIA MADEIRA, RS, Anais. Nova Prata, 2012, p VIVIAN, M. A.; BELTRAME, R.; MODES, K. S.; SOUZA, J. T.; STANGERLIN, D. M.; GATTO, D. A.; SANTINI, E. J.; HASALEIN, C. R. Efeito de pré-tratamentos na taxa de secagem da madeira de Hovenia dulcis Thunb. Ciência da Madeira, Pelotas, v.01, n.02, p , ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, v.9, n.17; p