RESUMO DE QUÍMICA DE BIOMASSA P1

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1 1 RESUMO DE QUÍMICA DE BIOMASSA P1 1) Introdução O troco da árvore é formado por madeira e casca. A Fig. 1 mostra que existe uma quantidade considerável maior de madeira que casca. Isso é resultado de 2 fatores: A produção de células de madeira é maior que a produção de células de casca e ainda pelo fato das células da casca estarem sujeitas à intempéres. Na árvore, a madeira tem função de condução, suporte e armazenamento (realizado na forma de amido). As células com função de condução e sustentação morrem após 14 a 21 dias após serem formadas, enquanto que as de armazenamento podem viver por muitos anos. O alburno possui papel de suporte, condução e armazenamento. Após algum tempo as células de armazenamento morrem, secretando fenóis oxidados e em alguns casos, pigmentos. Esses materiais oxidados são denominados extrativos. Em alguns casos a formação do cerne não é acompanhada por mudança na coloração conforme as células de armazenamento morrem. Como apenas a porção exterior da madeira que possui função de transporte e as células de armazenamento estão mortas, o cerne possui função apenas de sustentação.

2 2 1.1) Madeiras Duras e Madeiras Moles As árvores são classificadas dentro de dois grupos, madeiras moles (softwoods, gimnospermas) e madeiras duras (hardwoods, angiospermas). As madeiras duras possuem vasos que são responsáveis pela condução de água e as fibras que possuem papel de sustentação. As madeiras moles possuem os chamados traqueídes longitudinais que são células que possuem tanto função de condução quanto de sustentação. Apesar da gravidade específica média de madeiras duras comerciais ser maior que a das madeiras moles (0,5 vs. 0,41), a classificação madeira dura-madeira mole não deve ser tomada exclusivamente como uma medida da dureza da madeira, pois suas densidades se sobrepõem: Madeiras duras (0,32-0,81); Madeiras moles (0,29-0,60). 1.2) Anéis anuais Cada época de crescimento, as árvores inserem uma nova camada de madeira entre a madeira já existente e a casca do tronco. Essa adição de madeira é denominada de anel anual ou incremento anual. Os anéis de crescimento apresentados abaixo são facilmente visíveis em função das diferenças na madeira produzida na época de chuva (parte clara) ou na época mais seca (parte escura). Essas diferenças ocorrem em função de variações na estrutura das células. Na madeira de crescimento primaveril, pode-se notar a presença de finas paredes celulares e um lúmen espesso para que ocorra o transporte adequado de água na época das chuvas. Entretanto, na época das secas, as células desenvolvem uma parede celular mais espessa e um lúmen menor, tendo em vista que o volume de água é bem menor. Isso faz com que as células de crescimento tardio possuam uma maior função de sustentação. Em algumas madeiras moles, as zonas de crescimento tardio não podem ser detectadas pois são muito finas e por isso não é possível notar nenhum contraste entre as camadas. Obviamente, essas madeiras possuem uma estrutura mais uniforme. Vasos, ou poros, que são característicos de madeiras duras, são compostos por elementos de vasos, que são células individuais com largo diâmetro. Em função desse largo diâmetro, os vasos, em muitas madeiras duras

3 3 podem ser facilmente detectados a olho nú. Madeiras duras podem ser classificadas em madeiras duras de poros anelares ou madeiras duras de poros difusos, dependendo da organização dos vasos dentro do anel anual. Em madeiras de poros anelares, os poros formados na zona de crescimento primaveril possuem um diâmetro consideravelmente maior que que os formados na região de crescimento tardio, enquanto que as de poros difusos apresentam uma distribuição dos poros mais uniforme ao longo do anel anual. 1.3) Células Radiais A maioria das células da madeira possui seu eixo orientado paralelo ao eixo do tronco da árvore. Entretanto, algumas células possuem seu eixo orientado perpendicularmente ao tronco da árvore. Esses agregados celulares são denominados células radiais. Sob baixas resoluções microscópicas, essas células aparecem como linhas de espessura variada através dos anéis anuais. Em espécies de madeiras moles, esses raios são normalmente de espessura de uma célula, enquanto que em madeiras duras, elas variam de uma a muitas células de espessura. (Ver figuras 3 e 7). 2) Formação da madeira O aumento em diâmetro e comprimento dos troncos das árvores é resultado da produção de novas células pelos tecidos denominados meristemas. Os meristemas consistem de células não diferenciadas que conservam, ao longo de sua vida a habilidade de se dividir e produzir novas células. Após cada divisão, uma célula permenece meristemática enquanto que a outra se diferencia para excercer sua função. O aumento na altura do tronco é denominado crescimento primário e é resultado da produção de células pelo meristema apical (ou ainda meristema primário), enquanto que o meristema secundário ou lateral (câmbio) possui função de produzir células que aumentem a espessura do tronco no sentido transversal. Como já foi dito, a madeira consiste de dois sistemas interpenetrados, um com longos eixos de células longitudinais orientados paralelamente ao tronco da árvore e outro orientado transversalmente. As células longitudinais são produzidas pelo câmbio. As fases de desenvolvimento para as células de madeira são as seguintes:

4 4 1) Divisão celular 2) Alongamento celular 3) Espessamento da parede celular 4) Lignificação 5) Morte A primeira fase ocorre quando uma célula do câmbio não diferenciada se divide, formando duas células. Dependendo de alguns fatores, essa célula pode se diferenciar em célula da casca ou em célula da madeira. Durante a fase de alongamento celular, as células crescem em comprimento e diâmetro. Se for célula de madeira mole, ela crescerá essencialmente em diâmetro, conservando o comprimento da célula não diferenciada, por outro lado, células de madeiras duras crescem nos dois sentidos, empurrando as células adjacentes, oque afeta o alinhamento radial das células. Depois da divisão celular, ainda durante a fase de alongamento, uma camada muito fina de parede celular, denominada parede primária, engloba o protoplasma. Durante a fase de espessamento da parede celular, a espessura da parede é aumentada pela adição da camada secundária. O tamanho do aumento na espessura da parede depende da época do ano, disponibilidade de água e do tipo de célula a ser formada. A última etapa de desenvolvimento denominada lignificação envolve a formação de lignina entre as células recém-formadas ao longo de suas paredes celulares. Para a maioria das células de madeira, a morte ocorre imediatamente após a lignificação. Porém, para as células de madeira que possuem função de armazenamento, essa etapa é postergada por tempo indeterminado. Células com função de transporte e sustentação usualmente passam por todas essas fases de desenvolvimento e morrem dentro de 14 a 21 dias.

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6 6 3) Microestrutura da madeira 3.1) Microestrutura das madeiras moles Apesar de existirem 7 tipos diferentes de células nas madeiras moles, a maioria delas possui apenas dois tipos, traqueídes longitudinais e células do parênquima radiais, sendo que nenhuma delas possui todos os tipos. A Tab. 1 apresenta todos os tipos de células encontradas nas madeiras moles ) Células longitudinais ) Traqueídes longitudinais Os traqueídes longitudinais são as células mais importantes e são encontradas em todos os tipos de madeiras moles, ocupando maior volume (90-94%). As imagens abaixo (Fig. 3-5) ilustram o grande volume ocupado por essas células na composição da madeira. Pode-se notar ainda o grande comprimento que essas células possuem em relação ao seu diâmetro (100:1).

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8 8 Os traqueídes longitudinais são células multi-facetadas realizando os papéis de condução e sustentação. Seu formato depende do plano em que são vistos e também se eles compõem a madeira de formação primaveril ou madeira de formação tardia, conforme pode ser visto na figura abaixo. Nas paredes celulares dos traqueídes longitudinais existem os chamados pits (pontuações) que possuem função específica de transportar água. Eles podem ser definidos como buracos na parede celular abertos internamente para o lúmen e circundados externamente por uma membrana. As pontuações podem ser classificadas como pontuações de bordas duplas ou pontuações simples. As pontuações de bordas duplas são estruturas nas paredes dos traqueídes longitudinais que ocorrem em maior concentração perto das extremidades. As figuras abaixo apresentam a micrografia dessas pontuações com a sem a membrana. A região central que é não permeável é chamada torus, enquanto que a região externa permeável é chamada margo. Como cada pontuação possui sua pontuação complementar na outra célula, o fluxo de líquido ocorre do lúmen de um traqueíde para a região margo de uma célula, passando para o margo de outra célula e consequentemente para o lúmen.

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10 10 As pontuações simpes são como pequenas crateras, mas não são vazadas. Elas se formam quando uma célula radial cruza os traqueídes, conforme é possível notar abaixo Quando os traqueídes longitudinais são danificados, perdendo seu conteúdo intracelular, para que a árvore não seque por completo, elas possuem um mecanismo de defesa. Quando a água sai de um traqueíde, esse espaço é ocupado por ar, formando uma pressão negativa em relação à pontuação complementar. Essa diferença de pressão desloca o torus para a extremidade da pontuação da célula ocupada com água, impedindo que essa célula perca seu conteúdo intracelular, conservando assim o lúmen.

11 ) Células transversais As células orientadas transversalmente formam as estruturas radiais. Madeiras moles podem conter apenas os raios uniseriados ou raios uniseriados e raios fusiformes. Os raios uniseriados possuem espessura de 1 célula e não possuem o canal de resina, enquanto que os raios fusiformes possuem um canal de resina.

12 ) Parênquima radiais Conforme pode ser visto no plano radial da micrografia, as células de parênquima radial aparecem como células em fomato de paralelepípedo, possuindo uma relação comprimento espessura de 8: ) Canais de resina Canais de resina são tubos intracelulares cercados por células epiteliais. Esses canais podem ser encontrados tanto nos eixos longitudinal quanto no transversal. Como notado anteriormente, canais transversais são sempre encontrados em raios fusiformes. Os canais de resina longitudinais são normalmente maiores em diâmetro que os transversais. Algumas madeiras moles formam canais de resina apenas quando feridas. As células epiteliais dos canais que sofreram esse trauma são normalmente de parede mais grossa e lignificadas. Resumo: Microestrutura das madeiras moles Madeiras moles consistem basicamente de traqueídes longitudinais. Essas células, em conjunto com um número menor de outras células (strand tracheids, parenquima longitudial e epitelial) que podem ou não estar presentes, formam o sistema celular vertical, ou longitudinal. O sistema horizontal ou transversal consiste basicamente de parênquima radial, sendo que uma pequena quantidade de traqueídes radiais e epiteliais são encontradas em algumas espécies. De forma simplificada, madeiras moles consistem de dois sistemas interpenetrados, que são, um sistema longitudinal composto por traqueídes não vivos e um sistema transversal de raios, composto por células de parênquima radial. Traqueídes longitudinais de madeiras de crescimento primaveril são maiores em diâmetro, possuem paredes celulares mais finas e um lúmen maior em diâmetro em relação às de crescimento tardio. A parede celular de ambas é caracterizada pela presença de pontuações, estruturas que permitem o fluxo de líquido de traqueíde para traqueíde. Com seu comprimento longo, a sobreposição das extremidades das células permite esse fluxo através das pontuações. Como possuem ainda parede espessa, os traqueídes longitudinais são eficazes tanto para conduzir quanto para sustentar. As células de parênquima, que são consideravelmente menores que os traqueídes longitudinais, possuem função de armazenamento. Sua fina parede celular possui pontuações simples com membranas não perfuradas. 3.2) Microestrutura das madeiras duras Madeiras duras são mais complexas que as madeiras moles, não apenas por possuírem uma maior diferenciação celular, mas também por apresentarem variações em tamanho, forma e organização celular. Todas as madeiras duras possuem, em quantidades variadas, elementos de vasos, fibras, parênquimas longitudinais e parênquimas radiais.

13 ) Células Longitudinais ) Elementos de vaso Vasos ou poros são estruturas desenvolvidas para desempenhar o papel de condução. Os vasos consistem de séries de células longitudinais chamados de elementos de vaso que coalesceram para formar uma estrutura tubular. Além desses vasos seguirem um sentido longitudinal, eles desviam tangecialmente e radialmente. Esses vasos dificilmente percorrem um caminho isolado, mas sim terminam como um grupo de vasos. O comprimento dos vasos varia bastante, podendo chegar a até 11 metros. A proporção em volume de elementos de vaso na madeira varia de 6 a 55%. A figura abaixo apresenta todos os tipos de formatos exibidos por elementos de vaso. Os elementos de vaso variam bastante em

14 14 comprimento entre as espécies. Diferentemente de outras células longitudinais, elementos de vaso não crescem significativamente em comprimento durante a fase de crescimento. Assim, elas permanecem praticamente do mesmo tamanho que as células fusiformes que as deram origem. Os elementos de vaso grossos e curtos são característicos de poros anelares de madeiras de crescimento primaveril, e nesse caso ocorre um decréscimo no tamanho dos vasos em função do aumento do diâmetro. Os mais compridos e finos são característicos de poros difusos, e nesse caso não há variação no tamanho das células. A característica predominante da parede celular dos elementos de vaso é aquela relacionada à condução de água, sendo as placas de perfuração e as pontuações de bordas duplas que possuem essa função. As placas de

15 15 perfuração oferecem um caminho para o fluxo de líquido de elemento de vaso para elemento de vaso, enquanto que as pontuações entre os vasos fornecem o caminho para o fluxo de líquido entre os vasos. Lembre-se que os vasos (poros) são estruturas compostas de elementos de vasos individuais ) Placas de perfuração Nas extremidades dos elementos de vaso se localizam as placas de perfuração, que unem dois elementos de vaso em uma única unidade, denominada poro ou vaso. Esses vasos possuem comprimento consideravelmente longo e com função de translocação de água por toda árvore. Dois tipos de placas de perfuração são encontradas nas madeiras duras. O primeiro tipo, denominado escaliforme consiste em um número de aberturas paralelas, enquanto que a outra, chamada de simples consiste apenas de uma larga abertura. De forma geral, as células de poros anelares de madeira de crescimento primaveril possuem as placas de perfuração orientadas transversalmente sem que haja a sobreposição dos elementos de vaso, enquanto que nas de poro difuso ou de poro anelar de crescimento tardio as extremidades das células tendem a formar uma estrutura oblíqua, com as placas de perfuração perto da extremidade da célula, o que leva a uma pequena sobreposição das extremidades das células ) Intervessel Pitting (Pontuações entre os vasos?) As pontuações entre os vasos são frequentemente encontradas nas paredes tangenciais dos elementos de vaso. Em muitas espécies a parede inteira é coberta com pontuações. Essas pontuações diferem das pontuações da madeira mole pois não possuem a membrana denominada torus ) Tiloses Em muitas espécies quando o lumen dos vasos é preenchido com ar conforme o alburno é convertido em cerne, ou como resultado de um ferimento, as células de parênquima formam protuberancias através das cavidades das pontuações dentro do lúmen dos vasos. Essas protuberâncias, que são as paredes das células parenquimais, são denominadas tiloses. As tiloses podem bloquear completamente o lúmen dos elementos de

16 16 vaso ou não, dependentemente da espécie em questão. Esse fator afeta diretamente a permeabilidade da madeira, impedindo a perda do lúmen ) Traqueídes Dois tipos de traqueídes, vascular e vasicentrico, são encontrados em madeiras duras. Traqueídes vasculares lembram pequenos elementos de vaso com exceção de que eles não possuem placas de perfuração. Na realidade, por micrografia transversal não existe distinção entre as traqueídes vasculares e os vasos. Traqueídes vasicentricos são celulas enlongadas encontradas em associação aos vasos de madeiras de poros anelares de crescimento primaveril ) Fibras As células longitudinais responsáveis pelo suporte nas madeiras duras são as fibras. Fibras são definidas como células enlongadas com paredes celulares grossas. A quantidade de células fibrosas varia de 26% a 75%. Como regra geral, quanto maior a quantidade de fibras, maior a gravidade específica. A relação comprimento diâmetro das fibras é aproximadamente 100. As figuras abaixo mostram as diferenças entre tamanho, formato e espessura da parede entre as fibras e as outras células.

17 ) Parênquimas Longitudinais Apesar de muitas madeiras duras, da mesma forma que as madeiras moles, apresentarem uma quantidade muito pequeno deste tipo celular, isso não ocorre com a maioria delas. A quantidade de células de parênquima longitudinal varia de 0,1 a 24%. Do volume total de madeira. As células de parênquima longitudinal são pequenas, em forma de paralelepipedo com pontuações simples. Como sua função é de armazenamento, elas permanecem vivas com um protoplasma funcional para fornecer um mecanismo de armazenamento na forma de amido. Salvo em casos especiais, essas células não perdem funcionalidade até que o alburno se transofme em cerne ) Células transversais Da mesma forma como ocorre com as madeiras moles, as células transversais da madeira dura são denominadas radiais. Entretanto, as madeiras duras não possuem nenhuma célula transversal com papel de condução e assim, seus raios são compostos inteiramente por células parênquima radiais. As células radiais de madeiras duras diferem das de madeiras moles. As madeiras moles possuem raios uniseriados e em alguns casos raios fusiformes. A maioria das madeiras duras possui células radiais multiseriadas. A figura abaixo ilustra um raio de 6 células em espessura. Como esperado, o maior volume em células radiais ocorre no carvalho, atingindo aproximadamente 30% em volume, enquanto que de uma forma geral, esse número varia de 10 a 20%.

18 18 Resumo: Microestrutura das madeiras duras A estrutura da madeira dura é caracterizada pela presença de elementos de vaso, traqueídes, fibras, parênquima longitudinal e parênquima radial. Os elementos de vaso, que variam consideravelmente de tamanho entre as diferentes espécies, juntamente com os traqueídes encontrados em algumas madeiras duras, desempenham o papel de condução. As fibras, que podem chegar a constituir 60% do volume da madeira, com sua espessa parede celular oferecem sustentação mecânica. Parênquima, tanto longitudinal quanto radial que podem chegar a constituir 40% do volume da madeira, desempenham papel de armazenamento. Como resultado de ter uma quantidade maior de células e uma maior variação em sua estrutura, madeiras duras possuem uma estrutura mais complexa e consequentemente uma diversidade maior em relação às propriedades da madeira quando comparada às madeiras moles.

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20 20 3.3) Estrutura da parede celular Como a parede celular é o produto do arranjo e o tipo dos contituintes químicos que formam sua parede, algum conhecimento dos compostos químicos e como eles estão distribuídos dentro da célula é necessário. A maioria dos compostos químicos da madeira é: celulose, hemicelulose e lignina. Além disso, em muitas espécies, outros compostos químicos também estão presentes, tais como os extrativos. Para mais informações a respeito da celulose e hemicelulose leia os capítulos que seguem. A lignina é a maior porção de não-carboidratos da parede celular. Quimicamente, ela é diferente da celulose e da hemicelulose pois possui uma estrutura bastante complexa, com estruturas retificadas e tridimensionais, formando um polímero de unidades fenólicas. A natureza aromática da lignina proporciona um caráter hidrofóbico a ela, que juntamente com a estrutura tridimensional oferece rigidez à parede celular. Se não fosse pela presença da lignina, não seria possível a sustentação da árvore. De uma forma geral, a composição da madeira seca varia conforme abaixo % Composição Natureza polimérica DP Monômeros Celulose Molécula linear cristalina Glicose Hemicelulose Molécula ramificada amorfa Pentoses e hexoses Lignina Molécula tridimensional Fenolpropano Extrativos 0-10 Polímero - Polifenóis 3.4) Camadas da parede celular Como indicado anteriormente, cada célula possui uma camada primária de parede formada durante a divisão celular e uma segunda camada depositada após a fase de alongamento celular se completar. A partir da microscopia convencional, é revelada uma área rica em lignina entre as células. Essa área é denominada lamela média. A lamela média é altamente lignificada, apresentando substâncias pécticas principalmente no estágio inicial de formação. Sua espessura com exceção dos cantos das células é de 0,2 a 1,0 μm. Na Parede Primária (P) as fibrilas de celulose são arranjadas em camadas delgadas que se cruzam formando um aspecto de redes. A parede primária é a primeira camada depositada durante o desenvolvimento da célula, este sistema permite uma expansão (crescimento) da célula jovem. Por consequência, a orientação das fibrilas na camada mais externa é mais oblíqua. Ressalta-se que a quantidade de celulose na Parede Primária é muito limitada, contém também polioses (hemiceluloses), pectina e proteínas imersos numa matriz de lignina, sua espessura varia de 0,1 a 0,2 μm. A Parede Secundária, é a camada espessante da célula, depositada sobre a parede primária após seu crescimento superficial ter-se completado. Observação : Morfologicamente as camadas S1 e S3 não são consideradas constituintes da parede secundária, mas unidades morfológicas separadas. Assim, pode-se encontrar a S1 definida como camada de transição e a camada S3 como parede terciária. O espessamento da parede secundária é considerável, podendo variar de 1 a 10 μm. A porcentagem de celulose podendo chegar a 90% ou mais, resultando num arranjo denso e paralelo dependendo das fibrilas. Na camada S1, com espessura de 0,2 a 0,3 μm, as fibrilas de celulose se apresentam em orientação helicoidal suave. Existem várias subcamadas extremamente finas que se sobrepõem. Sendo as lamelas muito finas, o arranjo helicoidal (espiral) das fibrilas pode ser visível como um arranjo cruzado em certas espécies. O ângulo formado entre as fibrilas em relação ao eixo da célula considerada pode variar entre 50 e 70º. É mais lignificada,

21 21 assemelhando-se neste sentido mais à parede primária, sendo também mais resistente ao ataque de fungos que a S2. A camada S2 é a mais espessa da parede celular, forma a porção principal da célula, com espessamento variando de 1 a 9 μm. Nesta camada as fibrilas estão dispostas num ângulo praticamente reto em relação ao eixo da célula, podendo variar entre 10 e 30º, diminuindo com o aumento do comprimento da célula. A variação do ângulo formado pelas fibrilas de celulose em relação ao eixo axial das células é o resultado de um número de influências internas e externas, as quais são difíceis de identificar. Porém de maneira geral as variações existem dentro de um anel de crescimento onde o ângulo decresce do início do lenho inicial ao fim do lenho tardio, no sentido radial. Em anéis anuais sucessivos o ângulo decresce continuamente da medula para a casca, até um estado em que permanece constante, ou apenas sujeito a pequenas mudanças. A camada interna S3, considerada recentemente por alguns autores como parede terciária, por apresentar-se diferente das camadas S3 de células parenquimáticas (também fibras de monocotiledoneas, como bambus, que podem ter ainda quatro ou mais camadas). As fibrilas de celulose são arranjadas numa inclinação suave, porém não numa forma estritamente paralela. Possui uma concentração maior de substâncias não estruturais, o que confere a superfície do lumen uma aparência mais ou menos lisa. Finalmente, os traqueídes de coníferas e as fibras libriformes de folhosas mais primitivas apresentam quase sempre uma camada ou zona verrugosa (warts), que é uma membrana delgada e amorfa, localizada na superfície interna da camada S3 ou parede terciária. É constituída de material semelhante a lignina em conjunto com pequenas quantidades de hidratos de carbono e substâncias pécticas. Em conjunto, o sistema de arranjo e disposição das fibrilas de celulose, em combinação com as substâncias solidificantes não estruturais conferem às células da madeira uma sólida mas não inflexível constituição, a qual resiste a uma grande gama de forças que nela atuam. Devido a pequena inclinação das fibrilas a S2 é provida de resistência à tração, enquanto que a S1, na qual as fibrilas bem inclinadas conferem resistência à compressão, ambas ao longo do eixo da célula. celulose e da parede celular.

22 22 4) Celulose A celulose é a base natural das células das plantas e por isso ela é a substância natural mais importante produzida pelos organismos vivos. A porcentagem de celulose na planta varia dependendo da sua origem. Por exemplo, o algodão possui um teor de celulose muito maior que musgos. Nas madeiras, a celulose não está só acompanhada por polioses e lignina, como também está associada a eles, e a separação requer um tratamento químico intenso. Essa separação não é suficiente para obtenção de celulose 100% na sua forma pura, mas já é suficiente para muitas análises químicas. Quando a forma pura é desejada, o tratamento é ainda mais intenso, passando por etapas de hidrólise parcial, dissolução e precipitação. O produto obtido por esses métodos são cadeias moleculares muito pequenas. 4.1) Propriedades moleculares 4.1.1) Constituição e Configuração A celulose consiste de unidades anidroglucopiranosídicas que são unidas para formar uma cadeia molecular. Em outras palavras, a celulose pode ser descrita como um polímero linear de glucana com uma estrutura de cadeia uniforme. As unidades são ligadas por ligações glicosídicas β-(1 4). Duas extremidades adjacentes de glicose são ligadas pela eliminação de uma molécula de água entre os grupos hidroxílicos dos carbonos 1 e 4. A posição β do grupo OH do carbono C1 faz com que ocorra uma uma inversão dessa molécula no plano da ligação ao redor do anel piranosídico. Isso faz com que, apesar de a celulose ser um polímero de β-dglicose, a unidade repetitiva desse polímero seja a celobiose. Apesar de existirem grupos OH em ambas extremidades da cadeia de celulose, esses grupos apresentam um compotamente diferente. O C1-OH é um grupo aldeído hidratado derivado da formação do anel pela ligação hemiacetal intramolecular. Por esse motivo, essa hidroxila apresenta propriedades redutoras, enquanto que o grupo C4-OH no fim da cadeia de celulose é uma hidroxila alcoólica e assim não possui propriedades redutoras. A celulose é uma cadeia longa e as unidades de glicose são orientadas em um plano. Existem três razões para isso: 1) Ligação β glicosídica: Somente nessa posição o grupo-oh do carbono C1 permite um alongamento da cadeia molecular. 2) Conformação do anel piranosídico: A conformação da molécula de glicose na cadeia de celulose é a conformação da cadeira, sendo a que apresenta menor energia, e portanto é a mais estável. 3) Posição dos grupos OH: A conformação dos grupos OH na posição equatorial também é a de menor energia, sendo a forma predominante da celulose. Essa conformação faz com que as unidades de glicose estejam praticamente em um único plano.

23 ) Celulose em solução A celulose é insolúvel em solventes comuns. Entretanto, para o estudo de suas propriedades moleculares, se faz necessária a dissolução desse composto. Uma solução de celulose é também necessária para a realização de reações nos grupos OH (transformações estruturais). A dissolução da celulose é possível por meio da conversão heterogênea para ésteres ou éteres. Os ésteres de celulose, como por exemplo o acetato de celulose, são solúveis em solventes comuns, como acetona e acetato de etila, enquanto que a maioria dos éteres de celulose são solúveis em água. A celulose pode ser diretamente dissolvida em ácidos concentrados, como ácido fosfórico ou ácido trifluoracético. Esse método porém, resulta na clivagem hidrolítica das cadeias de celulose, resultado apenas em polímeros celulósicos de menor massa molecular. Além disso, durante a reação são formados outros compostos como ésteres ou compostos de adição. O polímero de celulose pode ainda ser solubilizado em soluções contendo íons complexos. Entre todos os complexos, os principais são os de cádmio cadoxeno (EWNN) e o de sódio-ferro-tartárico (FeTNa), pois são os que se mostram os melhores para determinação da massa molecular a grau de polimerização.

24 24 A celulose pode ainda ser solubilizada em uma mistura de hidrazina (combustível N 2 H 4 ) e água ou DMSO (dimetilsulfóxido - (CH 3 ) 2 SO), sob pressão e temperatura entre 100 a 250 C. Essa solução não sofre variação de viscosidade durante muitas horas, o que significa que não há degradação das moléculas de celulose. Como ocorre a dissolução? O processo de solubilização da celulose se inicia com a degradação das estruturas fibrilares e deve resultar na desintegração completa dessas estruturas para moléculas de celulose individuais, sem que haja quebra da cadeia. Essa degradação ocorre pelo inchamento e inserção de grupos químicos que culminam na quebra das ligações intermoleculares e solvatam o polímero.

25 ) Massa molecular e comprimento das cadeias A massa molecular da celulose varia bastante, podendo ser de a Da, dependendo da origem da amostra. Como a celulose é um polímero linear com unidades uniformes, ela é usualmente tratada de acordo com seu grau de polimerização (DP). DP = Massa molecular da celulose Massa molecular de uma unidade de glicose O grau de polimerização depende de alguns fatores, entre eles a espécie da planta e o grau de exposição à intempéres. Exemplo disso é o da celulose de algodão que quando em maçãs ainda fechadas possui o grau de polimerização de 15300, enquanto que em maçãs abertas esse número pode cair para Fibras de rayon possuem um grau de polimerização de 305. Esse grau de polimerização pode ser drásticamente reduzido com tratamentos químicos como a polpação e o branqueamento da polpa de celulose. É evidente que o grau de polimerização não reflete exatamente a distribuição das moléculas de celulose no sistema, uma vez que existem moléculas de diferentes tamanhos no meio, formando um sistema polidisperso. Para o cálculo da polidispersão, é necessário conhecer, além da massa média do grau de polimerização (DP), um

26 26 fator chamado número médio do grau de polimerização (P n ) que é equivalente ao número de moléculas existentes com o grau de polimerização respectivo. Esse fator pode ser calculado por osmometria e assim, a polidispersão do sistema pode ser indicada por: Polidispersão = U = DP P n 1; Quanto maior for o valor de U, maior será a polidispersão da amostra. O fenômeno de distribuição das massas moleculares pode ser observado abaixo.

27 ) Ligações de hidrogênio A estabilização de longas cadeias moleculares em sistemas ordenados é originada da presença de grupos funcionais que interagem uns com os outros. Os grupos funcionais das cadeias de celulose são os grupos hidroxila, sendo que existem três ligados a cada molécula de glicose. As superfícies das cadeias de celulose são, sozusagen, saturadas com grupos OH. Esses grupos OH não são apenas responsáveis pela formação da estrutura supramolecular, mas também pelo comportamento físico e químico da celulose. Os grupos OH, assim como os grupos NH, são capazes de interagir com eles mesmos ou com O-, N- e S-, formando uma ligação particular, denominada ligação de hidrogênio. (O livro fala isso, mas acho que com fluor também né... pelo menos aprendi assim..). A maioria das estruturas supramoleculares de polímeros naturais e sintéticos são baseados nas ligações de hidrogênio. Uma ligação de hidrogênio é caracterizada por: 1) A força da energia de ligação, que depende da densidade de carga e do angulo entre os átomos ligados entre si. 2) Fatores estéricos que causam distribuição assimetrica dos elétrons. 3) Da cinética das pontes de hidrogênio, por exemplo, a frequência com a qual os grupos OH- e NH- oscilam e os prótons mudam de posição. Uma comparação entre as energias de ligação entre vários átomos é apresentada abaixo. Nela pode-se perceber que a força de uma ligação de hidrogênio é aproximadamente 10 vezes que ligações covalentes, mas 100 vezes mais fortes que interações de Van der Waals. Pode-se assumir que a energia de ligação entre os grupos OH da celulose é quase a mesma, ou um pouco maior que a energia de ligação nos grupos OH nos álcoois. Os grupos OH da celulose são capazes de formar dois tipos da ligação de hidrogênio. Existem interações formando essas ligações entre duas moléculas de glicose adjacentes na mesma molécula de celulose (ligações intramoleculares). Essas ligações proporcionam certa rigidez para cada cadeia. Existem ainda ligações de hidrogênio entre grupos OH de cadeias de celulose adjacentes (ligações intermoleculares). Esses dois tipos de ligação são responsáveis pela formação de estruturas supramoleculares. As estruturas primárias formadas pelas pontes de hidrogênio são as fibrilas, que constituem as camadas celulares e consequentemente toda parede celular.

28 28 As ligações de hidrogênio não existem somente entre os grupos OH da celulose, mas também entre as moléculas de celulose e a água. A absorção da água por uma amostra de celulose depende do número dos grupos OH livres. Esse fato pode ser demonstrado abaixo, pelas isotermas de absorção de dessorção. A figura mostra que a celulose isolada da madeira absorve uma quantidade de água maior que a celulose do algodão para uma mesma umidade relativa. A entrada da água na estrutura da celulose significa um inchamento da estrutura. Mas outros solventes, além da água também são capazes de serem adsorvidos e ligados por ligações de hidrogênio, como por exemplo DMSO e piridina. Solventes desse tipo resultam no inchamento dependentemente da temperatura. Outros solventes, como por exemplo dioxano ou benzeno, não são capazes de se ligar. Eles são apenas adicionados à estrutura, e resultam em um inchamento independente da temperatura. A presença de solventes apolares na celulose, impede a formação de ligações intermoleculares durante a secagem. Solventes como o cicloexano ou benzeno não são completamente removidos por secagem, mesmo sob alto vácuo. Por isso, foi concluído que moleculas de solventes são presas entre as superfícies de celulose, formando uma celulose altamente reativa e facilmente acetilável.

29 29 O processo reverso da adsorção da água e inchamento é a remoção da água e aproximação das cadeias de celulose. Esse processo de secagem, apesar de contínuo, pode ser separado em diferentes etapas. A primeira é a clivagem de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, que são as ligações de menor energia no sistema celulose-água. Assim, parte da celulose é removida e as moléculas de celulose se aproximam. Esse processo continua até que reste apenas uma camada monomolecular de água entre as cadeias. Então as ligações de hidrogênio entre o OH da água e o OH da celulose são clivadas dando origem às ligações de hidrogênio entre as moléculas de celulose. Nos anos 50, a espectroscopia por IR foi introduzida na química da celulose. Muitos estudos resultaram na atribuição de várias bandas de absorção que representam determinados grupos atômicos. A figura abaixo apresenta dois espectros de IR e mostra algumas conclusões que podem ser tiradas.

30 30 4.2) Estruturas supramoleculares O polimorfismo da estrutura celular da celulose é bem conhecido. A forma nativa faz referência à celulose I. Quando celulose I é tratada com uma solução alcalina concentrada (exemplo: hidróxido de sódio 18% a 20 C) e subsequentemente lavada com água, ocorre mercerização e celulose II é formada. Nessa reação, a soda cáustica reage com a celulose das fibras de algodão causando um intumescimento da fibra, deixando-a com um perfil mais redondo, e diminuindo as zonas amorfas da celulose, o resultado final é uma melhor hidrofilidade da fibra, uma aparência mais lustrosa e um toque mais macio no tecido.celulose II também é obtida regenerando celulose I, por processos tanto de tratamento com amônia ou de viscose. Quando celulose I é tratada com uma solução aquosa de etilenodiamina seguido de lavagem com água, celulose II também é formada. A conversão de celulose I em celulose II é irreversível, já que a celulose I é um produto natural, resultado de uma biossíntese.

31 31 Celulose III é obtida tratando celulose com amônia liquida a -80 C e a subsequente evaporação da amônia. Celulose IV é obtida da celulose III por aquecimento em glicerol a 260 C. Duas formas de celulose IV, celuloses IV I e IV II, são obtidas se o material de partida é celulose III I ou celulose III II, respectivamente. A reversibilidade de conversão dos quatro polimorfos é ilustrada no esquema abaixo: Celulose I Celulose III I Celulose IV I Celulose II Celulose III II Celulose IV II Celulose I De uma excelente correlação de resultados obtidos separadamente pelos métodos de análise de energia conformacional e de intensidade de raio X, verificou-se que as cadeias de celulose com polaridade paralela de Valonia mantinham um eixo de contorção dupla para os componentes rígidos do anel de glicose. As posições mais prováveis das rotações do grupo hidroximetilforam perto da posição tg, o que permitiu uma extensa ligação de hidrogênio. Projeções da estrutura de celulose I são mostradas na figura 1. As cadeias estão dispostas em camadas ao longo de planos (020) e são estabilizadas por pontes de hidrogênio, como por exemplo, duas pontes de hidrogênio intracamadas ao longo da cadeia OH O-5 (comprimento de ligação: 0,275 nm) e OH OH-6, e uma ligação de hidrogênio intercamada (OH-3----OH-6) aproximadamente perpendicular ao eixo da cadeia ao longo do eixo a. Quanto à possibilidade dos modos de empacotamento paralelo e antiparalelo, os resultados de dados de intensidade mostram uma preferência por uma estrutura de cadeia paralela. Como mostrado na figura 2, a estrutura da celulose ramie é praticamente idêntica à da Valonia: o arranjo da cadeia é paralelo e o oxigênio do grupo hidroximetil está na posição tg. As cadeias são hidrogênio-ligadas em duas dimensões em camadas dispostas paralelamente ao plano (200). As camadas são escalonadas por c/4 em relação ao outro e não há ligações de hidrogênio entre as camadas.

32 32 Figura 1. Projeções de um modelo de duas cadeias de celuose I (Valoniaventricosa): (a) perpendicular ao plano abao longo do eixo de fibras; (b) perpendicular ao plano ac; (c) rede de ligações de hidrogênio no plano (020).

33 33 Figura 2. Estrutura da celulose ramie. Ligações de hidrogênio são indicadas por linhas pontilhadas. Números de 1 a 4 indicam os resíduos. Celulose II Como mostrado na figura 3, a celulose II cristaliza em um modo de empacotamento antiparalelo com uma extensiva rede de ligações de hidrogênio. A ligação de hidrogênio intercamada entre o canto e as cadeias de centro, que está ausente na celulose I estrutura, estabiliza a estrutura. As posições do oxigênio do grupo hidroximetil são tg no canto da cadeia eg gno centro da cadeia. A figura abaixo apresenta as projeções das cadeias de celulose. Nesse caso, além das ligações de hidrogênio intracamadas OH O-5 e OH OH-6, ligações intermoleculares OH O-2 (cadeias das extremidades) e OH OH-3 (cadeias centrais) são formadas no plano (020). No plano (110) é formada ainda a ligação intermolecular OH-2(centro) ---- OH-2 (extremidade). Por esse motivo, o empacotamento antiparalelo oferece uma conformação mais estável, de menor energia. Isso explica o fato da celulose II não poder ser convertida em celulose I.

34 34 Celulose III O tratamento de celulose I ou celulose II com amônia líquida seguido por evaporação completa da amônia resulta em celulose III. Dois polimorfos são obtidos, dependendo ser o material de partida é a celulose I ou II, respectivamente conhecidos como celulose III I e III II. Seus padrões de raios-x são quase idênticos, mas os espectros de infravermelho são diferentes; as estruturas devem, portanto, diferirem na polaridade da cadeia. Como mostrado na figura 4, verifica-se que a estrutura da celulose III I é muito similar à da celulose I: a polaridade paralela das cadeias, as ligações de hidrogênio intramoleculares OH O-5 e OH-2----OH-6, e ligações de hidrogênio intermoleculares OH-3----OH-6 são conservadas. A única diferença é a relação de escalonamento entre as camadas adjacentes: 0,26 nm para a celulose I e somente 0,09 nm para a celulose III I. Também foi previsto que a celulose III II possuiria uma estrutura similar à da celulose II: celulose III II é antiparalela e assemelha-se à celulose II na conformação das cadeias e nas ligações de hidrogênio.

35 35 Figura 4. Projeções da célula unitária de celulose III I : (a) plano ab; (b) plano bc. As ligações de hidrogênio estão indicadas pelas linhas tracejadas e resíduos estão numerados. Celulose IV Como no caso da celulose III, dois polimorfos de celulose IV podem ser obtidos aquecendo celulose III: celulose III I produz o polimorfo IV I, enquanto que celulose III II produz o polimorfo IV II. Embora os padrões de difração de raio X da celulose IV I e IV II pareçam similares, numa acetilação heterogênea, celulose IV I produz a forma cristalina da celulose triacetato I (estrutura com cadeias paralelas), enquanto que a celulose IV II produz celulose triacetato II (estrutura com cadeias antiparalelas). Apesar dos mesmos parâmetros de célula unitária, as estruturas diferem na polaridade da cadeia: na celulose IV I ambas as cadeias da célula unitária são paralelas, enquanto que na celulose IV II elas são antiparalelas. Estruturas de ambos os polimorfos são apresentadas na figura 5. Além da presença de duas ligações de hidrogênio em todas as celuloses cristalinas, ambos polimorfos parecem ser bem estabilizados pelas ligações de hidrogênio intermoleculares ao longo do plano (200).

36 36 Figura 5. Projeções de células unitárias de celulose IV I e IV II. As ligações de hidrogênio são mostradas pelas linhas tracejadas. Por fim, pode-se afirmar que os sistemas cristalinos da celulose I, II e III são monoclínicos, enquanto que o da IV é rômbico. O sistema cristalino monoclínico é um sistema cristalino que se caracteriza por três eixos cristalográficos de comprimentos diferentes, enquanto que no rômbico, todos os ângulos são iguais. Tais cristais são apresentados abaixo:

37 ) Estrutura fibrilar Como descrito anteriormente, o esqueleto das células da madeira é formado por fibrilas de celulose. As fibrilas representam a associação das moléculas de celulose e possuem regiões mais ou menos ordenadas. Existem algumas indicações que as fibrilas não possuem diâmetro uniforme, dependentemente da sua origem e da forma de tratamento a que ela é submetida.

38 38 Os resultados da micrografia eletrônica podem ser resumidos da seguinte forma: A celulose da parede celular é organizada em fibrilas, sendo que a unidade básica possui um diâmetro da ordem de 2 a 4 nm. É bastante provável que essas unidades básicas (fibrilas elementares) estejam agrupadas para formar sistemas com diâmetros da ordem de 10 a 30 nm. As fibrilas podem ser separadas longitudinalmente em subunidades e cadeias moleculares únicas por tratamento químico ou mecânico. Esse fato é importante para a análise crítica da organização interna das fibrilas. Todos os modelos que descrevem o arranjo organizacional das fibrilas podem ser resumidos como segue: O arranjo longitudinal das moléculas varia de uma região ordenada para outra subsequente, sendo que as regiões de transição são regiões menos organizadas. As unidades fibrilares são como cordas que consistem em um arranjo de moléculas longitudinais e sequencias de regiões ordenadas e desordenadas As regiões ordenadas são pacotes de cadeias agrupadas na direção longitudinal. As áreas que encontramse entre esses grupos de cadeias são denominadas como as áreas menos agrupadas. Para uma melhor compreensão, imagine o modelo da micela franjada descrito para polímeros semicristalinos. Seguindo esse conceito, as cadeias de celulose podem correr na direção parelela ou antiparalela. Considerando observações microscópicas, esse modelo pode ser aceito, porém apenas como descrito por alguns autores (Dolmetsch e Scallan). Esse conceito tem a vantagem de uma explicação simples para a variação nos diâmetros da estrutura fibrilar.

39 39 Um sistema de unidades fibrilares individuais que consiste de longos períodos de regiões ordenadas interrompido por regiões completamente desordenadas foi proposto por alguns autores. Utilizando esse modelo, as diferenças no DP e comprimento das regiões cristalinas podem ser facilmente explicadas. De acordo com outro autor, as fibrilas de celulose podem ser deformadas em uma maneira entrópica-elástica, um comportamento no qual apenas estruturas com regiões ordenadas e desordenadas seriam capaz de possuir. Outro autor variou esse modelo reduzindo as regiões desordenadas para defeitos no retículo cristalino no fim das cadeias moleculares, sugerindo que as regiões menos ordenadas consistem de defeitos reticulares paracristalinos, com pontes cristalinas que a cruzam. Uma visão geral desses e outros modelos propostos pode ser descrita como segue: As cadeias são unidas em apenas um plano reticular (101). As cadeias são unidas ao longo de todo o cristal, para que os planos cristalinos estejam conectados não apenas por ligações de hidrogênio, mas também por mudanças (?) nas cadeias. As cadeias são unidas na forma de uma fita, sendo que essa fita é dobrada de forma helicoidal, formando a fibrila. A formação da estrutura supramolecular da celulose ocorre durante a biosíntese na célula. O mecanismo mais plausível para esse processo é a polimerização com cristalização simultânea. Por outro lado, estruturas supramoleculares também podem ser obtidas de celulose dissolvida, independentemente de influências genéticas. Esse fenômeno indica um mecanismo que força as moléculas em um sistema ordenado. Esse mecanismo pode ser causado por condições estéricas das moléculas com a restrita possibilidade da formação de ligações de hidrogênio intermoleculares. As moléculas de celulose se encaixam umas com as outras apenas em uma posição definida, sendo assim, um mecanismo de formação da estrutura supramolecular é provável.

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41 41 5) Hemicelulose Além da celulose, um grande número de polissacarídeos denominados polioses também estão presentes na madeira e outros tecidos vegetais. As polioses diferem das celuloses por possuirem diferentes açúcares em sua constituição. A cadeia principal de uma poliose pode ser constituida por um açúcar (homopolimero - xilanas) ou por mais de um açúcar (heteropolímero - glucomananas). A figura abaixo apresenta os açúcares mais comuns nas polioses. Desses açúcares, algumas unidades estão presentes somente em grupos pendentes de uma cadeia principal (esqueleto), como por exemplo, o 4-O-ácidometilglucurônico. Monossacarídeos, assim como as polioses possuem átomos de carbono assimétricos e assim apresentam uma rotação optica em solução. A rotação optica é uma importante propriedade de todos os carboidratos e é frequentemente utilizada para sua caracterização. Todas as xilanas naturais e a maioria das mananas possuem rotação específica negativa, enquanto que as poligalactouranonas possuem rotação específica positiva. A classificação das polioses se da em hexosanas, pentosanas e poliuronanas. Essa é uma classificação bruta e que não leva em consideração que açúcares de diferentes grupos muitas vezes estão misturados nas polioses. Essas polímeros podem possuir em suas estrutuas ramificações ou ainda grupos pendentes, conforme será visto posteriormente. Madeiras moles e madeiras duras diferem não apenas na fração de polioses totais, mas também na quantidade de polioses individuais e na composição dessas polioses. Em relação às polioses das madeiras, pode-se afirmar que madeiras moles possuem uma porção maior de unidades de manose e galactose (galactomananas),

42 42 enquanto que as madeiras duras possuem uma quantidade maior de xilose (xilanas) e grupos acetil. Esse fato pode ser notado na tabela abaixo. Para a produção de papel, quanto melhor for conservada a hemicelulose, melhor, pois elas aumentam a resistência da folha (cimentam a celulose), pela precipitação em cima das fibras de celulose, formando ligações de hidrogênio. 5.1) Xilanas 5.1.1) Xilanas de madeiras duras Xilanas são polioses normalmente com o esqueleto homopolimérico formado por unidades de xilose ligadas por ligações glicosídicas β-(1 4), resultando numa cadeia linear. No caso das madeiras duras, as xilanas possuem grupos pendentes, a intervalos irregulares, de grupos 4-O-ácido metilglucurônico que se ligam na posição α-(1 2) nas unidades de xilose. Muitos dos grupos OH dos carbonos C2 e C3 da xilose são substituidos por grupos aceti. Um segmento de O-acetil-4-O-metilglucurônicoxilana de madeiras duras é apresentado abaixo.

43 43 A maioria das xilanas, isolada de várias madeiras duras, possui uma relação de aproximadamente 1:10 de xilose:ácido metilglucurônico, o que significa dizer que na média, a cada dez unidades de xilose, uma possui um grupo pendente de ácido metilglucurônico. A arabinose presente em aproximadamente 2% em relação às xilanas está presente formando extremidades não redutoras. A proporção de grupos acetil pouco varia em madeiras duras de regiões temperadas, sendo de aproximadamente 1:0,5 xilose:grupos acetil. As xilanas de madeiras duras possuem de forma geral dois ou três pontos de ramificação, com cadeia lateral curta, que são ligadas no C3 da xilose do esqueleto principal. O grau de polimerização médio do esqueleto de xilana varia de 100 a 200, dependente da espécie da madeira e o modo de isolamento. Além das unidades principais, as xilanas de madeiras duras possuem pequenas quantidades de ramnose e ácido galacturonico. Estudos posteriores mostraram que a extremidade redutora das xilanas consiste em uma combinação de xilose, ramnose e ácido galacturônico na seguinte sequência:

44 44 βdxylp1 4βDXyl1 3αLRhap1 2αDGalp1 4βDXyl Essa estrutura é vista como sendo responsável pela resistência ao ataque alcalino de xilanas, uma vez que o ácido galacturônico estabiliza a molécula após a retirada da unidade redutora de xilose ) Xilanas de madeiras moles De uma maneira geral, as xilanas de madeiras moles diferem das xilanas de madeiras duras pela falta de grupos acetil e pela presença de unidades de arabinofuranose ligadas por ligação éter glicosídica α-(1 3) no esqueleto de xilana. Assim, as xilanas de madeiras moles são arabino-4-o-metilglucurônicoxilanas, conforme apresentado abaixo. Xilanas de madeiras moles possuem uma uma porção maior de 4-O-ácido metilglucurônico que xilanas de madeiras duras. Na maioria das xilanas de madeiras moles investigadas, a razão de Xil:Me-GluU:Ara é de 8:1,6:1. As xilanas de madeiras moles são menores que as de madeiras duras, possuindo um grau de polimerização de aproximadamente 100, e possuindo uma ou duas ramificações por cadeia.

45 45 A mesma sequencia de açúcar das extremidades descrita como alcali-resistente nas xilanas das madeiras duras foi detectada em xilanas de piceas (madeira mole). De forma geral, as xilanas de madeiras moles são mais difíceis de serem separadas pois elas estão presentes em menor quantidade ) Xilanas de outras plantas Os grupos pendentes de gramíneas podem possuir em sua estrutura tanto os grupos pendentes de madeiras moles quanto os de madeiras duras, podendo possuir ácidos metilglucurônicos, arabinoses ou ainda grupos acetil. Pergunta: Éster é mais fácil hidrolisado que éter. Hidrolisando os grupos acetil, é formado ácido acético, o que catalisa a reação. Por esse motivo, os ésteres de madeiras duras e gramíneas hidrolisam mais fácil. A hidrólise do ácido metilglucurônico facilita ou dificulta a hidrólise e a reatividade? (Nota: Madeiras moles possuem um teor maior de ácido metilglucurônico.) 5.1.4) Estruturas supramoleculares de xilanas Da mesma forma que a celulose, as xilanas também são capazes de formar estruturas cristalinas, particularmente se elas estiverem desacetiladas e sem grupos pendentes. Por esse motivo, nas paredes celulares das células, não existe xilana na forma cristalina. Os cristais formados possuem formado hexagonal e várias camadas de aproximadamente 5 nm. A água possui um importante papel na estrutura desses cristais, fazendo parte da célula unitária. Com a difração de raio-x, uma célula unitária trigonal de xilana monoidratada foi determinada, e é apresentada abaixo:

46 46 Existem seis unidades monoméricas em uma célula unitária e as cadeias de xilanas estão arranjadas em um threefold screw axis. Essas moléculas são estabilizadas por ligações de hidrogênio intramoleculares (O5...O3); uma conexão direta entre as cadeias de xilanas adjacentes por ligações de hidrogenio parece impossível, e é assumido que as moléculas de água estabilizam a estrutura. A partir da estrutura molecular, pode ser deduzido que uma orientação estrita (cristalina) por uma longa distância não é possível em função da irregularidade dos grupos pendentes, grupos acetil, arabinoses e ácidos urônicos. A ausência dos grupos CH 2 OH nas xilanas proporciona certa flexibilidade para a cadeia, permitindo que as moléculas se organizem para formar fibrilas com uma estrutura flexível, o que é diferente da fibrila celulósica. Precipitados de frações de xilana tanto de madeiras moles quanto duras apresentam um arranjo mais frouxo de fibrilas flexíveis, conforme micrografia abaixo.

47 47 5.2) Mananas 5.2.1) Mananas de Madeiras Duras Mananas de madeiras são caracterizadas por um esqueleto heteropolimérico que consiste de unidades de manose e glicose. Por isso, o nome correto seria glucomananas. A estrutura de glucomananas de madeiras duras é basicamente simples, sendo constituida apenas por unidades de glicose e manose que são pouco ramificadas. Essas unidades são unidas por ligações glicosídicas β- (1 4). A razão entre manose e glicose é aproximadamente 2:1, sendo que elas possuem um grau de polimerização de aproximadamente 60. As glucomananas estão presentes em quantidades bem menores que as xilanas nas madeiras duras ) Mananas de Madeiras Moles Madeiras moles possuem entre 20 e 25% de mananas constituídas por um esqueleto de glucomanana no qual grupos acetil (C2 e C3) e resíduos de galactose (C6) estão ligados. Por isso, essas polioses são denominadas O- acetil-galactoglucomananas. A razão entre manose e glicose é de aproximadamente 3:1, sendo as unidades distribuidas de forma randômica na cadeia. As unidades de galactose encontram-se unidas por ligações α-(1 6), sendo que a quantidade de galactose extraída é diferente quando é utilizada a extração aquosa ou a extração álcali. Galactoglucomananas solúveis em água possuem uma razão 3:1:1 de Man:Gli:Gal, enquanto que as solúveis em meio álcali possuem uma razão 3:1:0,2. A ligação α-(1 6) é fraca e portanto facilmente hidrolisável. Acredita-se que na extração com soda, esas ligações sofram clivagem, liberando os resíduos de galactose, o que resulta em uma menor quantidade de galactoses ligadas na cadeia principal. A razão de manose, glicose e galactose deve ser tratada como uma média desses valores, pois existem essas variações, dependentemente do método utilizado. As proporções encontradas em várias madeiras moles são apresentadas abaixo.

48 48 Enquanto que para algumas madeiras moles uma leve ramificação das cadeias pode ser encontrada, para outras madeiras moles, cadeias principais lineares são descritas ) Outras mananas Como as xilanas, as mananas estão amplamente espalhadas pelo reino animal. Galactoglucomananas com estruturas similares das madeiras moles foram detectadas em troncos e folhas de várias plantas, normais e primitivas. Mananas são particularmente importantes como os componentes principais das sementes e tubérculos. Estudos mostraram que mananas isoladas das sementes de Phytelephas sp. consistem exclusivamente de unidades de manose. Essas mananas oriundas de sementes são depositadas no endosperma da planta, servindo de polissacarídeos de reserva que sofrem despolimerização enzimática durante a germinação da semente. Os polissacarídeos de reserva em alguns tubérculos são também constituídos de glucomananas na cadeia principal. Na extração com água do Orchis morio, uma glucomanana com razão Man:Gli 3,3:1 foi isolada. As unidades são ligadas por ligações β-(1 4) e possuem aproximadamente 7 ramificações por molécula, resultando em um grau de polimerização de 665. Grupos acetil estão também presentes, estando ligados nos C2 e C ) Estruturas Supramoleculares Da mesma forma que ocorre com as xilanas, mananas nativas são incapazes de cristalizar em um retículo cristalino. Após a hidrolise seletiva de polioses de algumas polioses, foi conseguida a cristalização de glucomananas.

49 49 Uma fração de uma manana de picea (madeira mole) foi redissolvida em KOH e precipitada em etanol. Na micrografia pode-se notar agregados laterais de fibrilas relativamente rígidas. Os grupos acetil das madeiras moles nativas, aparentam ser responsáveis pelo impedimento da orientação molecular. As glucomananas desacetiladas de algumas espécies são capazes de cristalizar no mesmo formato apresentado abaixo, podendo formar uma estrutura shish-kebab com a celulose. Galactoglucomananas obtidas pelo fracionamento da extração alcalina da holocelulose, não apresentaram estrutura definida em baixa resolução. Porém em alta resolução é possível notar fibrilas muito pequenas com diâmetros da ordem de 1-2 nm. Em algumas frações, uma associação íntima entre galactoglucomananas e o 4-O-metilglucurônicoxilana parece existir. Além disso, uma relação entre a lignina na estrutura supramolecular não pode ser excluída.

50 50 Xilanas Mananas Madeiras Duras Madeiras Moles Gramíneas O-acetil-4-O-metilglucurônicoxilana arabino-4-o-metilglucurônicoxilana Cadeia principal β-(1 4) Cadeia principal β-(1 4) Ácido metilglucurônico α-(1 2) (10:1 xil:me-glupu) Ácido metilglucurônico α-(1 2) (5:1 xil:me-glupu) Grupos acetil C2 e C3 (2:1 xil:acetil) Arabinofuranose α-(1 3) 2 ou 3 ramificações C3 1 ou 2 ramificações DP DP 100 Obs: Resiste ao ataque alcalino pois após a perda da última xilose, o ácido metilglucurônico estabiliza a molécula Obs: São mais difíceis de ser purificadas pois estão em menor quantidade nas madeiras moles Glucomananas O-acetil-galactoglucomananas Cadeia principal β-(1 4) Cadeia principal β-(1 4) 2:1 manose:glicose 3:1 manose:glicose DP Galactose α-(1 6) - Grupos acetil C2 e C3 - Cadeias lineares ou ramificadas - Obs: A ligação α-(1 6) é facilmente hidrolisável. Isso acarreta uma extração diferenciada em meio alcalino ou aquoso. (Menor teor de galactose ligada com extração alcalina) Podem possuir tanto os grupos pendentes das madeiras moles quanto os das madeiras duras Podem assumir várias formas. Existem homopolímeros de mananas no endosperma de algumas sementes; podem possuir várias ramificações e até com a presença de grupos acetil

51 51 5.3) Glucanas Além da celulose, existem outros polissacarídeos que consistem de unidades de glicose tanto na madeira quanto em outros tecidos das plantas. Entre eles, o amido é a reserva mais importante presente nas frutas, sementes e outros tecidos de armazenamento. O amido consiste de vários componentes que se diferenciam em massa e estrutura molecular. Existem as amiloses (lineares) e as amilopectinas (ramificadas). As unidades de glicose na amilose são ligadas por ligações glicosídicas α-(1 4) e as amilopectinas por ligações do tipo α-(1 6). As ligações α glicosídicas podem ser facilmente clivadas, fato esse que é importante para os processos metabólicos. Com essa ligação, o anel piranosídico é organizado em um ângulo de aproximadamente 120, o que resulta em uma estrutura helicoidal com moléculas de amido com 6 unidades de glicose por turno. Dessa forma, o amido existe apenas da forma de granulos e não como fibrilas. Entretanto, muitas amiloses são capazes de sofrer cristalização. Outra glucana na madeira é a calose. Calose é amplamente conhecida como a substância presente nas células dos elementos de tubo do floema, porém ela é também um componente das células de parênquima no xilema. Nesse caso, ela forma camadas protetoras nas membranas das pontuações simples, o que provavelmente sela as pontuações para proteger o conteúdo intracelular das células vasculares que conduzem água. A calose consiste em unidades de glicose unidas por ligações β-(1 3). Essas moléculas podem se unir para formar estruturas fibrilares. A lariciana é outros polímero de glicose que possui um DP de 200, onde as unidades glicosídicas estão ligadas por ligações do tipo β-(1 3), das quais aprox. 6% são ligadas na posição β-(1 4), O esqueleto de glicose possui 8 ramificações, sendo ligado também com ácido glucurônico e galacturônico. Esse tipo de poliose é usualmente encontrado em zonas de compressão das madeiras do lariço. Importante!!!! In angiosperms (madeiras duras) reaction wood is called tension wood. Tension wood forms above the affected part of the plant, pulling it up. It is composed almost entirely of cellulose. In conifers (madeiras moles) it is called compression wood. Compression wood forms below the bent part, pushing it up. Compression wood is rich in lignin.

52 52 As xiloglucanas possuem esqueleto de glicose β-(1 4) no qual unidades de xilose encontram-se ligadas. Em alguns casos é possível ainda encontrar resíduos de fucose e galactose. 5.4) Galactanas O grupo de polioses das galactanas já é conhecidos há muito tempo, particularmente as arabinogalactanas (goma arábica) de lariço (larchwood - madeira mole). Essas polioses são solúveis em água e podem ser isoladas em quantidades de 10 a 25%. De uma forma geral, as galactanas são bastante ramificadas. A arabinogalactana de lariço possui um esqueleto de unidades de galactose ligadas na posição β-(1 3) e cadeias laterais na posição β-(1 6) de unidades de glicose, galactose, arabinose e ácido glucurônico. A massa molecular das arabinogalactanas varia de a

53 53 5.5) Pectinas O grupo de substâncias pécticas engloba todas as galactouranonas, galactanas e arabinanas, sendo que as galactanas já foram descritas anteriormente. As galactouranonas são componentes de várias plantas e estão presentes principalmente nas cascas das plantas e gomas. O teor de galactouranonas tanto em madeiras moles quanto em madeiras duras é inferior a 1%. Elas se encontram predominantemente depositadas na lamela média e no torus das pontuações de bordas duplas. Na pectina isolada de uma cultura celular de sycamore, foram encontradas arabinanas e ramnogalactouranonas. O último possui um esqueleto de ácidos galactourônicos ligados na posição α-(1 4) que possui unidades de ramnose em intervalos regulares de 8 unidades, sendo que aproximadamente metade deles carregam uma cadeia lateral de galactana. As unidades de ramnose enontram-se ligadas por ligações α-(1 2) e α- (1 4) com as unidades de ácido galactourônico adjacentes.

54 54 A arabinanas possuem mais de 90% de arabinoses e pequenas porcentagens de galactose, xilose e glicose. As unidades de arabinose são ligadas por ligações α-(1 5) na cadeia principal, enquanto que nos pontos de ramificação para formar a cadeia lateral também de arabinose, a ligação é a α-(1 3). Em outros tecidos de plantas e gomas, as galactouranonas consistem em um homopolímero ou heteropolímero (ramnogalactouranona) com cadeias laterais de galactose, arabinose, xilose e fucose. O esqueleto de ramnogalactouranonas de Sterculia urens possui ainda unidades de galactose. Apiose, uma pentose rara, foi encontrada também em cadeias laterais de galactouranonas de Lemna minor. 6) Caracterização Química da madeira e seus componentes 6.1) Remoção dos extrativos A amostragem depende de vários fatores e qual o objetivo da análise. É importante que a amostra retirada seja representativa do todo, livre de contaminação externa e adequadamente preservada. Nenhuma análise é melhor do que a amostra com que ela é realizada. (Deep, huh?). A madeira para análise química, após seca, deve ser moída para alcançar penetração total dos reagentes. Para isso, primeiro o pedaço de madeira é cortado em cavacos, que depois é cortado em forma de palitos, e que por fim é moído, formando uma espécie de serragem. Outro ponto importante é em relação aos extrativos. Extrativos são compostos de baixa massa molecular, como gorduras, graxas, terpenos (substâncias aromáticas canela), compostos alifáticos, etc, que podem ser

55 55 solubilizados em solventes polares ou apolares, dependendo da sua classe. Esses componentes devem ser retirados antes de qualquer análise, pois depois podem afetar a extração da hemicelulose. Para a extração desses componentes é utilizado um equipamento denominado Extrator Soxhlet, que é apresentado abaixo. Este equipamento opera com base no ponto de ebulição dos solventes. Primeiramente a amostra é alocada na região (5) da figura, enquanto o solvente desejado na extração é colocado em (1). O conjunto todo é então aquecido em uma manta de aquecimento. Depois de um certo tempo, o solvente começa a evaporar, subindo pela região (3) até que atinge o condensador em (9). O solvente condensa e cai sobre a amostra, solubilizando parte dos extrativos. Esse processo segue até que o volume de solvente sobre a amostra atinja um determinado ponto, no caso, o topo do sifão, representado por (6). Nesse ponto, o solvente é sifonado novamente para o balão, levando consigo os extrativos que encontram-se solubilizados no meio. Esse processo segue e quanto maior for o tempo de extração, mais forte será a cor da mistura no balão, pois normalmente esses extrativos possuem coloração. Para garantir que todos ou quase todos os extrativos serão retirados da amostra, normalmente esse processo é realizado três vezes, em diferentes solventes, tanto polares, quanto apolares. Um modelo proposto é apresentado abaixo: 1. Mistura etanol/tolueno Remove os extrativos apolares 2. Apenas etanol Remove os extrativos de polaridade intermediária 3. Água Remove extrativos polares, como íons e açúcares. O produto final desse processo é uma madeira livre de extrativos que pode seguir para a próxima etapa de purificação. 6.2) Obtenção da holocelulose por deslignificação A holocelulose pode ser obtida da madeira por vários métodos utilizando diferentes métodos de deslignificação que envolvem o uso de agentes oxidantes fortes ou soluções ácidas e básicas em elevadas temperaturas. Para isso pode ser utilizado o gás cloro, clorito de sódio (NaClO 2 ) em meio ácido acético ou ainda o ácido peracético.

56 56 Essa reação pode ser realizada conforme apresentado abaixo: Primeiramente a amostra é alocada sobre o filtro, onde é lavada com água quente e fria. Depois disso, é passado gás cloro sobre a amostra por alguns minutos e a reação de oxidação se processa. Essa reação é altamente exotérmica e por isso é necessário que seja realizada em um banho de refrigeração. A oxidação da lignina forma ácidos carboxílicos, conforme apresentado abaixo. Depois disso a amostra é lavada com soluções básicas de metais alcalinos, como por exemplo NaOH, KOH ou ainda LiOH, para a formação de um sal oriundo da lignina e portanto solúvel em meio aquoso. A solução de lavagem passa então pelo filtro levando consigo a lignina oxidada, restando a holocelulose. Esse tratamento porém gera outro problema nas xilanas de madeiras duras e gramíneas que é a perda do grupo acetil, ou seja, elas sofrem desacetilação parcial. Para que isso não ocorra a extração pode ser feita com o auxílio de metil sulfóxido. Para as xilanas de algumas madeiras duras não é necessário oxidar a lignina, porém, entre as madeiras moles é necessário que seja feito com todas. A vantagem de se obter a holocelulose para posterior purificação é a obtenção de um rendimento maior, com maior pureza e a obtenção de uma hemicelulose com menor teor de lignina. Apenas a arabinogalactana (goma arábica) pode ser diretamente extraída sem esses métodos, conforme foi visto anteriormente.

57 57 6.3) Tratamento da holocelulose Depois disso é obtida a holocelulose, que com um tratamento com soluções básicas contendo ácido bórico pode ser separada a celulose da hemicelulose. Essa extração alcalina não pode ser realizada em atmosfera normal. Se isso for feito, parte dos grupos da hemicelulose podem ser oxidados e por isso é necessária a utilização de N 2. É necessário que a solução básica a ser utilizada seja adequada, por exemplo, para a extração de glucomananas, usualmente é utilizada uma solução NaOH, enquanto que para extração de xilanas é mais adequada a utilização de KOH. Após a extração, a solução pode ser lavada com ácido acético e etanol, visando uma neutralizar o meio e diminuir a constante dielétrica para posterior recuperação. A ação do íon borato estabiliza e protege as hemiceluloses, pois complexa com a manose e impede a solubilização das glucomananas e dos polissacarídeos que contém manose. Com isso, podem ser separadas as xilanas das glucomananas, sendo que as últimas podem ser recuperadas por sucessivas lavagens. Pode ser feita também a utilização do íon iodeto que atua precipitando as hemiceluloses de cadeia linear. Deve-se atentar para a reação de PEELING. Os polissacarídeos em meio alcalino sofrem essa reação, com isso o terminal redutor (C1) pode sofrer oxidação, clivando as 2 últimas unidades, formando uma nova extremidade redutora e assim por diante. Isso faz com que o polímero seja desencadeado pela extremidade. Para evitar isso existem alguns métodos, como por exemplo proteger a extremidade redutora transformando-a em outro composto. * De uma forma geral, o rendimento de extração da hemicelulose é maior nas madeiras duras e gramíneas. Abaixo são apresentados alguns outros modelos de extração dos constituintes da madeira na forma pura ou quase pura.

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61 61 7) Lignina Significância e Ocorrência Depois da celulose, a lignina é a mais abundante e importante substância polimérica orgânica das plantas no mundo. A incorporação da ligninga dentro da parede celular das plantas deu a elas a chance de conquistar a superfícia terrestre. A lignina aumentou tanto as propriedades mecânicas das plantas que árvores de mais de 100 metros são capazes de se manterem em pé. A lignina é um componente químico e morfológico dos tecidos de plantas superiores, como angiospermas e gimnospermas, onde elas tipicamente ocorrem em tecidos vasculares, especializados em transporte de líquido e resistência mecânica. Plantas primitivas como fungos e líquens não são lignificados. A quantidade de lignina presente nas diferentes plantas é bastante variável. Sob o aspecto de apenas uma árvore, a quantidade de lignina nas diferentes partes da árvore não é uniforme, sendo ainda que a distribuição de lignina dentro da parede celular também não é uniforme. Na maioria dos casos de utilização da madeira, a lignina é utilizada como parte integrante da madeira. Apenas nos casos de polpação e branqueamento que a lignina é mais ou menos liberada da madeira degradada sob composições alteradas, representando um grande potencial de fonte de carbono e energia. Lignificação da parede celular da madeira A formação de macromoléculas de lignina pelas plantas compreende sistemas químicos, bioquímicos e biológicos que tem sido extensivamente estudados e repetidamente revisados. Inúmeros estudos comprovaram os monômeros apresentados abaixo como sendo os precursores primários da formaão da molécula de lignina. UNIDADES FENILPROPANO PRECURSORAS DA LIGNINA CH 2OH CH 2OH CH 2 OH CH CH CH CH CH CH OH OH OCH 3 H CO OCH 3 3 OH I II III álcool p-cumarílico álcool coniferílico álcool sinapílico

62 62 A figura abaixo apresenta os principais passos da formação dos precursores da lignina.

63 63 Formação das macromoléculas de lignina A biossíntese da lignina pelos monômeros de fenilpropano pode ser descrita por polimerização desidrogenativa. O primeiro passo dessa via bioquímica é a desidrogenação enzimática de um álcool p- hidróxicinâmico, produzindo unidades aromáticas mesoméricas pela perda de um próton. A figura abaixo apresenta a formação dos radicais fenóxi estabilizados por ressonância pela transferência de um elétron. Apenas 4 desses radicais estão na verdade envolvidos na biossíntese de lignina (I IV), sendo o V estéricamente impedido e termodinâmicamente desfavorável. Os principais modelos de acoplamento dos radicais são apresentados abaixo. A densidade eletrônica relativa determina a frequência dos diferentes sítios envolvidos dessas reações. De cálculos quânticos, foi deduzido que todos os radicais fenóxi possuem uma maior densidade de elétrons-π no átomo de oxigênio fenólico, favorecendo assim a formação de ligações aril éter como por exemplo a ligação β-o-4, o tipo de ligação mais frequente tanto em ligninas de madeiras moles quanto de madeiras duras. A polimerização dos precursores monoméricos por acoplamento aleatório não pode ser estudada in vivo, mas é conhecida pelos inúmeros experimentos in vitro como um processo espontâneo. O primeiro passo da polimerização é a formação dos dímeros (dilignóis) que posteriormente levam a formação de olignóis. A polimerização encerra quando dois radicais se encontram, estabilizando a molécula tridimensional formada. As figuras abaixo apresentam os dímeros e a frequencia com que as ligações entre eles são encontradas nas moléculas de lignina

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65 65 A figura abaixo apresenta dois exemplos de estruturas superiores após o processo de polimerização. O tetralignol é formado pelo acoplamento entre o dehydrodiconiferil alcohol com o dímero de quinona metide. O pentalignol presresenta o guaiacylgrycerol éter do tetralignol. Um acoplamento iônico (não radicalar) na formação da lignina é a adição de quinonas metides na água ou grupos fenólicos. Em resumo da formação da lignina, é evidente que essas macromoléculas não são formadas por mecanismos definidos, mas sim pelo acoplamento aleatório de lignóis para a formação de um poímero não linear. A constituição final da lignina é então determinada majoritariamente pela reatividade e disponibilidade dos monômeros envolvidos na polimerização. Aspectos da deposição da lignina na parede celular O processo de incorporação da lignina dentro da parede celular é usualmente visto como a fase final do processo de diferenciação do xilema secundário da parede. Esse processo é responsável por afetar as propriedades mecânicas, densidade e inchaço das células de madeira. A lignificação é vista como um processo controlado por cada célula individualmente. Dessa forma é possível explicar a lignificação parcial de algumas células fibrosas do floema. Apesar de ainda existirem muitas perguntas não respondidas a respeito dos detalhes quanto ao início da deposição da lignina, muitos resultados esclareceram o caminho da lignificação. Muitos estudos mostraram que mais provavelmente a lignina é inicialmente depositada nos cantos celulares quando a superfície de alargamento da célula termina e logo antes do início do espessamento da parede secundária (S1). A lignificação continua na lamela média (LM) e na parede primária (P). A lignificação da lamela média continua nas paredes S1 e S2 e até a parede terciária (T). A lignificação das paredes secundárias se inicia vagarosamente em um primeiro momento, mas acelera quando o espessamento da parede terciária finaliza.

66 66 Estrutura e constituição da lignina Estudos elucidando a estrutura da lignina Como já dito anteriormente, a lignina é um dos polímeros naturais mais complexos que existem. A formação única resulta em um polímero polifenólico ramificado tridimensional, sem nenhuma unidade repetitiva como pode ser visto na celulose ou nas proteínas. A estrutura da lignina atual foi definida por diversos estudos analíticos de modelos de acoplamento com ligninas sintéticas e isoladas. Essas investigações podem ser agrupadas como: Experimentos de degradação parcialmente combinados com outros estudos: etanólise, acidólise, hidrogenólise, hidrólise branda, tioacetólise e oxidação. Análise elementar Determinação de grupos funcionais