Reactividad térmica de la hemicelulosa y de la celulosa en las paredes celulares de la madera de cedro y de haya

Reactividad de la hemicelulosa y de otros sacáridos menores en las paredes celulares de la madera

La figura 3 compara las imágenes de las maderas de haya japonesa y de cedro tratadas con calortratadas con calor de maderas de haya japonesa y cedro japonés sometidas a temperaturas de 220-380 °C (10 °C/min). La decoloración de la madera de haya se inició a los 240 °C, cambiando el color a marrón y oscureciéndose aún más a medida que aumentaba la temperatura. Por el contrario, la decoloración de la madera de cedro se produjo en un rango de temperaturas más alto, de 320 a 340 °C. Así pues, en términos de decoloración, la madera de haya es más reactiva que la de cedro. Estos resultados pueden tener su origen en la diferente reactividad pirolítica de los componentes de la madera, que se analizará en los párrafos siguientes.

Imágenes del aspecto de: a maderas de cedro japonés y b maderas de haya japonesa después de ser sometidas a pirólisis a diferentes temperaturas (10 °C/min, sin periodo de retención), bajo un flujo de nitrógeno (100 mL/min)

Los cambios en el contenido de azúcares hidrolizables en las maderas tratadas térmicamente se muestran en la Fig. 4, centrándose en seis componentes de azúcar: arabinosa, glucosa, galactosa, manosa, xilosa y 4-O-MeGlcA. El contenido de azúcares hidrolizables se muestra como el porcentaje de azúcares recuperados frente al rendimiento de la madera no tratada (normalizado al 100%). Los azúcares distintos de la glucosa se determinaron como los correspondientes glucósidos metílicos obtenidos por metanólisis ácida debido a la inestabilidad de los azúcares derivados de la hemicelulosa y la pectina cuando se someten a condiciones de hidrólisis más severas que hidrolizan la celulosa cristalina estable.

La tabla 1 muestra las composiciones de azúcares determinadas a partir de maderas de cedro y haya no tratadas. Los orígenes de estos azúcares deben ser discutidos, basándose en la literatura , antes de comparar los resultados de la pirólisis. Una cantidad significativa de glucosa se origina en la celulosa, sin embargo, la glucosa es también el constituyente del glucomanano. Los diferentes contenidos de xilosa y manosa en las maderas de cedro y haya se explican por la conocida diferencia de composición de la hemicelulosa en las maderas duras y blandas: xilano y trazas de glucomanano en las maderas duras, mientras que las maderas blandas suelen tener glucomanano en mayor cantidad y xilano en menor. Así, los cambios en los rendimientos de manosa y xilosa indican directamente la degradación del glucomanano y del xilano, respectivamente, durante la pirólisis de la madera. La disminución de la recuperación de glucosa está relacionada con la degradación de la celulosa en el haya, sin embargo, la contribución de la degradación del glucomanano debe ser considerada para el cedro.

El xilano, tanto en las maderas de cedro como de haya, contiene 4-O-MeGlcA como un componente de azúcar ácido que se espera que actúe como un catalizador de ácido y base (como uronato de metal) , lo que indica que esta unidad puede acelerar la degradación de los componentes de la pared celular de la madera. La eficacia de este efecto de aceleración en las paredes celulares se discute particularmente en el presente trabajo. Normalmente, el contenido de 4-O-MeGlcA es mayor en la madera dura que en la blanda, como se reconoce para el haya (20 g/kg) y el cedro (9 g/kg), Tabla 1.

Los orígenes de la arabinosa y la galactosa son más complejos. La arabinosa es un componente del xilano de la madera blanda, pero no del xilano de la madera dura. Sin embargo, la galactosa está unida a la cadena de glucomananos de ambos tipos de especies de madera. Para estos azúcares menores, el contenido de pectina en la pared celular primaria, que contiene arabinosa y galactosa como azúcares primarios, no puede ser ignorado. En consecuencia, la comprensión de la degradación pirolítica de las unidades de arabinosa y galactosa es difícil con respecto a los componentes de la madera.

En la Fig. 4, la degradación de las unidades de glucosa se observa en la región de mayor temperatura para ambas maderas, lo que es consistente con la degradación de la celulosa altamente estable. Por el contrario, el rango de temperaturas donde se degradan las unidades de xilosa y manosa es diferente; las unidades de xilosa y manosa se degradan a temperaturas similares para el cedro, sin embargo, en la pirólisis de la madera de haya, las unidades de manosa se degradan a temperaturas significativamente más bajas que la xilosa. Se observa que las unidades de xilosa en ambas maderas se degradan a temperaturas similares, donde las unidades de manosa en el cedro también se degradan. En consecuencia, se sugiere que las hemicelulosas en las paredes celulares de ambas especies de madera tienen una reactividad similar, excepto el glucomanano en la madera de haya que es más reactivo que otras hemicelulosas.

La reactividad pirolítica de las unidades de azúcar en la hemicelulosa en las maderas de cedro y haya, como se muestra en la Fig. 4, se compara con las del xilano aislado y el glucomanano en la Fig. 5, para dilucidar la influencia de la matriz de la pared celular. Los resultados de las hemicelulosas aisladas se muestran en líneas discontinuas. El xilano de madera de haya comercial, en el que la mayoría de las moléculas de ácido urónico existen como sales de Na, se utilizó junto con la muestra desmineralizada (carboxilo libre) como los xilanos aislados, y sus reactividades pirolíticas se evaluaron mediante un procedimiento similar al utilizado en el presente estudio. Basándonos en los datos de análisis de diez especies de maderas blandas y duras en nuestro trabajo anterior , la mayoría de los grupos carboxílicos libres 4-O-MeGlcA en el xilano formarían las sales con cationes metálicos alcalinos y alcalinotérreos, aunque algunos están involucrados en la formación de enlaces éster con la lignina como se discute más adelante.

Influencia de la temperatura de pirólisis en las tasas de recuperación de: a xilosa, b 4-O-MeGlcA, c manosa, d arabinosa y e galactosa en maderas de haya japonesa (círculo negro) y cedro japonés (círculo blanco), comparadas con xilano aislado (triángulo blanco apuntando hacia arriba: sal de Na+, triángulo negro apuntando hacia arriba: carboxilo libre) y glucomanano aislado (x). Condiciones de pirólisis: velocidad de calentamiento (10 °C/min)/flujo de nitrógeno (100 mL/min)/sin periodo de retención

El glucomanano se aisló de la madera de cedro japonés según un procedimiento comunicado anteriormente que incluye la extracción de los residuos obtenidos por la preextracción del xilano de la holocelulosa (madera deslignificada) utilizando una solución acuosa de hidróxido de sodio (24%) y ácido bórico (5%). Sin embargo, ese procedimiento concluyó que el contaminante del ácido bórico no podía eliminarse del glucomanano aislado ni siquiera utilizando resinas. Por estas razones, se utilizó el glucomanano de konjac como glucomanano aislado en el presente documento.

La temperatura de degradación de las unidades de xilosa en ambas maderas se desplazó a temperaturas más altas en comparación con los xilanos aislados, lo que sugiere que el xilano en las paredes celulares de ambas maderas está significativamente estabilizado. Además, se observa que la reactividad es similar a la del glucomanano de la madera de cedro, como se ha descrito anteriormente. Las unidades 4-O-MeGlcA también están estabilizadas en las maderas, sin embargo, la estabilidad observada es diferente para el cedro y el haya. Estos resultados indican que las unidades 4-O-MeGlcA unidas a la cadena de xilano están restringidas en las paredes celulares de la madera, donde la 4-O-MeGlcA no funciona adecuadamente como catalizador ácido y básico para la degradación del xilano. Estos hallazgos proporcionarán una nueva visión a los grupos de investigación en el área de la pirólisis de la madera porque actualmente se cree que el xilano es más reactivo que el glucomanano en la pirólisis de la madera.

La reactividad de las unidades de manosa muestra la tendencia opuesta para las maderas de cedro y haya; las unidades de manosa en la madera de cedro se degradaron a temperaturas ligeramente más altas que el glucomanano de konjac, mientras que las unidades de manosa en la madera de haya se degradaron a temperaturas significativamente más bajas, aunque el contenido de glucomanano es relativamente bajo en el haya. Estos resultados sugieren que el entorno donde existe el glucomanano es diferente en la matriz de la pared celular de las maderas de cedro y de haya. Una posible explicación de la mayor reactividad del glucomanano de la madera de haya es que los grupos 4-O-MeGlcA actúan como catalizadores ácido/base en la proximidad del glucomanano en la pared celular de la madera de haya, como se comenta más adelante.

Las unidades de arabinosa y galactosa de la madera de haya se degradan a temperaturas más bajas que las de la madera de cedro. La mayor reactividad de las unidades de galactosa en el haya puede explicarse por la reactividad del glucomanano, que fue mayor en el haya que en el cedro, porque la galactosa es el componente menor del glucomanano en ambas maderas. Sin embargo, la contribución de la pectina debe ser considerada para la reactividad de estas unidades de azúcar menores. La decoloración de la madera de haya que se inició a una temperatura inferior de 240 °C, en comparación con la madera de cedro (Fig. 3), puede estar relacionada con la mayor reactividad de las unidades de arabinosa y galactosa junto con el glucomanano.

Reactividad de la celulosa y asignación de las curvas TG/DTG

La figura 6 ilustra los perfiles TG/DTG medidos para las maderas de haya y cedro a la misma velocidad de calentamiento (10 °C/min), utilizada para los experimentos de pirólisis anteriores, junto con el comportamiento de la degradación de la celulosa y las hemicelulosas, expresado en % en peso basado en el contenido en la madera, que se estimó aproximadamente a partir de los rendimientos de los azúcares hidrolizables. Los contenidos de xilano y glucomanano en las maderas pirolizadas se calcularon multiplicando el contenido respectivo en la madera original por la tasa de recuperación de metil xilósido y metil manósido obtenida por metanólisis, respectivamente. El contenido de celulosa se determinó a partir del rendimiento de glucosa obtenido por hidrólisis restando el rendimiento del glucomanano, asumiendo que la reactividad de las unidades de glucosa y manosa en el glucomanano es similar. Aunque las curvas TG/DTG aparecen a temperaturas ligeramente superiores a las de la degradación de los polisacáridos de la madera, la comparación del conjunto de datos es útil para la asignación de las curvas TG/DTG.

Perfiles de Termogravimetría (TG)/Derivada TG que muestran la recuperación de celulosa, xilano y glucomanano de: a maderas de cedro japonés y b maderas de haya japonesa (sólo se contó la glucosa originada por la celulosa para determinar el rendimiento de la glucosa)

Se observa claramente un hombro en la curva de DTG del haya junto con un pico, mientras que la curva de DTG del cedro exhibe sólo un pico amplio. Anteriormente se creía que esta diferencia se debía a la mayor reactividad del xilano, que es más abundante en la madera dura. La presente investigación, sin embargo, aclara que el glucomanano en el haya es significativamente más reactivo que el xilano, lo que sugiere que el hombro en la curva DTG del haya no está relacionado con la reactividad de la hemicelulosa.

Contrariamente a esto, el comportamiento de degradación de la celulosa es diferente para las maderas de cedro y haya. La celulosa en el haya es estable hasta ~ 320 °C, donde el xilano y el glucomanano casi se degradan. Por tanto, la degradación térmica de la celulosa se produce independientemente de la degradación de la hemicelulosa en la pared celular de la madera de haya. Por el contrario, la celulosa en la madera de cedro se degrada típicamente junto con la degradación del xilano y el glucomanano. En consecuencia, como se indica en la Fig. 6, el solapamiento de los rangos de temperatura para la degradación de la celulosa y las hemicelulosas del cedro conduce a un amplio pico de DTG.

La influencia de la ultraestructura de la pared celular

La esterificación con la lignina puede explicar parcialmente la ineficaz actividad catalítica de la 4-O-MeGlcA en la pared celular de la madera. En las paredes celulares de la madera blanda y dura se han descrito tres tipos de enlaces del complejo lignina-carbohidrato (LCC), el éster Cγ con 4-O-MeGlcA, el éter bencílico y el glucósido fenilo, Fig. 7. Esta formación de ésteres hace que una parte de las moléculas 4-O-MeGlcA sean inactivas como catalizadores ácido/base para las hemicelulosas y la celulosa. Aunque la tasa de esterificación no está clara actualmente, se sugiere que existen moléculas 4-O-MeGlcA libres en la pared celular de la madera, basándose en la capacidad de intercambio de cationes y en la distribución de cationes metálicos alcalinos y alcalinotérreos dentro de las paredes celulares. En consecuencia, algunos de los móviles 4-O-MeGlcA en la pared celular son ineficaces, incluso sin la formación de los enlaces éster con la lignina.

Tres tipos de enlaces complejos lignina-carbohidrato

Los grupos acetilo están unidos al xilano en el haya y al glucomanano en el cedro, aunque las hemicelulosas aisladas de la Fig. 5 no contienen grupos acetilo. Estos grupos acetilos pueden afectar a la reactividad del xilano y del glucomanano en las paredes celulares de la madera. Sin embargo, esto no sería importante porque los xilanos en ambas maderas exhibieron reactividades similares.

El xilano y el glucomanano están normalmente involucrados en la formación de enlaces LCC con la lignina , indicando que la hemicelulosa y la lignina existen en proximidad por la formación de enlaces químicos. Estas estructuras en la matriz de la pared celular de la madera pueden restringir la movilidad de los restos de 4-O-MeGlcA, aunque esta hipótesis debe ser confirmada por más investigaciones sobre la matriz de la pared celular de la madera y la reactividad pirolítica. La mayor reactividad del glucomanano en la madera de haya puede explicarse por esta hipótesis; el glucomanano existe en la proximidad del 4-O-MeGlcA en la pared celular de la madera de haya, mientras que un ataque de la cadena principal de xilosa en el xilano por el 4-O-MeGlcA no es posible. Estos resultados serán de gran interés para los anatomistas de la madera, así como para los investigadores en el campo de la pirólisis.

La reactividad pirolítica de la celulosa está intrínsecamente determinada por su naturaleza cristalina. Las moléculas que componen los nanocristalitos (de decenas de nm de sección) son estables y, por tanto, la degradación térmica se inicia a partir de las moléculas superficiales . Antes de la descomposición, se observa un «período de inducción» que activa la celulosa, lo que dio lugar al concepto de formación de «celulosa activa» . También se sugiere el papel del extremo reductor durante la activación de la celulosa para la decoloración térmica y el comportamiento de pérdida de peso. Por lo tanto, la superficie de los cristalitos de celulosa y la interfaz de la matriz hemicelulosa-lignina juegan un papel importante a la hora de determinar la reactividad de la celulosa, como se ilustra en la Fig. 8, que se sugiere que es diferente para las maderas de cedro y de haya. La degradación de la hemicelulosa puede activar las moléculas superficiales de la celulosa del cedro, sin embargo, esto no se observa para el haya.

Función de la matriz hemicelulosa-lignina y de la interfaz superficial de las microfibrillas de celulosa para la reactividad de la celulosa durante la pirólisis, que se espera que sea diferente para las maderas de cedro japonés y haya japonesa

El ensamblaje de la celulosa y las hemicelulosas en las paredes celulares de la madera ha recibido una importante atención en el campo de la anatomía de la madera, y se proponen diferentes disposiciones para las paredes celulares de las maderas blandas y de las maderas duras, como se ilustra en la Fig. 9. Se ha informado de la fuerte unión del glucomanano a la celulosa en las paredes celulares de las maderas blandas. Basándose en los resultados del análisis mecánico dinámico con espectrometría FT-IR, Åkerholm y Salmén informaron de la estrecha conexión entre la celulosa y el glucomanano en las fibras de madera de pícea (Picea abies), aunque el xilano no mostró ninguna interacción mecánica con la celulosa. Kumagai y Endo utilizaron una microbalanza de cristal de cuarzo para estudiar la acción de la celulasa durante la hidrólisis enzimática de nanofibras de lignocelulosa preparadas a partir de cedro japonés (una madera blanda) y eucalipto (una madera dura). El informe concluyó que la celulosa está cubierta por el glucomanano en el cedro japonés, porque la eliminación del glucomanano mediante el tratamiento con mananasa era necesaria para que la celulasa se uniera a la celulosa. Se considera que existe xilano y lignina entre la celulosa recubierta de glucomanano en la madera blanda (Fig. 9a) .

Vista esquemática de las disposiciones de la pared celular de celulosa, hemicelulosa y lignina propuestas para la madera blanda y la madera dura

A la inversa, en el caso de las paredes celulares de la madera dura, Dammström informó de los datos del análisis dinámico FT-IR del álamo temblón (Populus tremula), sugiriendo que el xilano está fuertemente asociado a la celulosa, en lugar del glucomanano en el caso de la madera blanda. La asociación del xilano con la celulosa también se utiliza para explicar la disposición helicoidal de las microfibrillas de celulosa; las moléculas 4-O-MeGlcA cargadas negativamente del xilano unidas a la superficie de las microfibrillas de celulosa ayudan a mantener el espacio entre las microfibrillas dando lugar a una mesofase colestérica. Sin embargo, ha habido controversia porque el xilano en solución forma una conformación de tornillo helicoidal triple, dificultando la combinación del xilano con la celulosa que tiene una conformación doble . Simmons et al. informaron de pruebas claras de la unión del xilano a la celulosa mediante RMN en estado sólido; el xilano que presenta un tornillo helicoidal triple en solución se aplana en un tornillo helicoidal doble para unirse íntimamente a la celulosa. Estas observaciones también están respaldadas por cálculos teóricos. Estas líneas de información indican que el xilano se une a las microfibrillas de celulosa en lugar del glucomanano en las paredes celulares de las maderas duras, como se muestra en la Fig. 9b.

La reactividad de la celulosa de las maderas de cedro y de haya puede estar influenciada de forma diferente por la variación en el ensamblaje, aunque la elucidación de los mecanismos detallados hasta el momento no se entiende completamente. Por lo tanto, se necesita más información con respecto a la anatomía de la madera.