Reactividade térmica da hemicelulose e celulose em paredes celulares de cedro e faia

Fotos do aspecto de: um cedro japonês e b madeiras de faia japonesas após serem sujeitas à pirólise a várias temperaturas (10 °C/min, sem período de retenção), sob um fluxo de nitrogénio (100 mL/min)

Alterações do teor de açúcares hidrolisáveis nas madeiras tratadas termicamente são mostradas na Fig. 4, concentrando-se em seis componentes de açúcar: arabinose, glucose, galactose, manose, xilose e 4-O-MeGlcA. O teor de açúcar hidrolisável é mostrado como o percentual de açúcar recuperado em relação ao rendimento da madeira não tratada (normalizado a 100%). Os açúcares diferentes da glicose foram determinados como os correspondentes metil glicosídeos obtidos por metanólise ácida devido à instabilidade dos açúcares derivados de hemicelulose e pectina quando submetidos a condições de hidrólise mais severas que hidrolisam celulose cristalina estável.

Tabela 1 mostra as composições de açúcares determinadas a partir de madeiras não tratadas de cedro e faia. A origem desses açúcares deve ser discutida, com base na literatura, antes de se comparar os resultados da pirólise. Uma quantidade significativa de glicose tem origem na celulose, entretanto, a glicose é também o constituinte do glucomanano. Diferentes teores de xilose e manose em madeira de cedro e faia são explicados pela conhecida diferença de composição da hemicelulose em madeira dura e madeira mole: xilano e quantidades vestigiais de glucomanano em madeira dura, enquanto a madeira mole tipicamente compreende glucomanano em grandes quantidades e xilano em pequenas quantidades. Assim, as alterações nos rendimentos de manose e xilose indicam directamente a degradação do glucomanano e xilano, respectivamente, durante a pirólise da madeira. A diminuição na recuperação da glicose está relacionada à degradação da celulose na faia, no entanto, a contribuição da degradação do glucomanano deve ser considerada para o cedro.

Xylan nas madeiras de cedro e faia contém 4-O-MeGlcA como componente ácido açucarado que se espera que actue como catalisador ácido e base (como uronato metálico) , indicando que esta unidade pode acelerar a degradação dos componentes da parede celular da madeira. A eficácia deste efeito de aceleração nas paredes das células é particularmente discutida no presente artigo. Tipicamente, o conteúdo de 4-O-MeGlcA é maior em madeira dura do que em madeira macia, como reconhecido para faia (20 g/kg) e cedro (9 g/kg), Tabela 1.

As origens da arabinose e galactose são mais complexas. A arabinose é um componente da xilana de madeira macia, mas não da xilana de folhosas. Contudo, a galactose está ligada à cadeia de glucomanano de ambos os tipos de espécies de madeira. Para estes açúcares menores, o conteúdo de pectina na parede celular primária, que contém arabinose e galactose como os açúcares primários, não pode ser ignorado. Assim, a compreensão da degradação pirolítica das unidades de arabinose e galactose é difícil em relação aos componentes da madeira.

Na Fig. 4, a degradação das unidades de glucose é observada na região de temperatura mais alta para ambas as madeiras, o que é consistente com a degradação da celulose altamente estável. Inversamente, a faixa de temperatura onde as unidades de xilose e manose se degradam é diferente; as unidades de xilose e manose se degradam a temperaturas semelhantes para o cedro, entretanto, na pirólise da madeira de faia, as unidades de manose se degradam a temperaturas significativamente mais baixas do que a xilose. Observa-se que as unidades de xilose em ambas as madeiras se degradam a temperaturas semelhantes, onde as unidades de manose no cedro também se degradam. Consequentemente, sugere-se que as hemiceluloses nas paredes celulares de ambas as espécies de madeira tenham uma reactividade semelhante, excepto para o glucomanano na madeira de faia que é mais reactiva que outras hemiceluloses.

A reactividade pirolítica das unidades açucaradas na hemicelulose nas madeiras de cedro e faia, como mostrado na Fig. 4, é comparada com as de xilano e glucomanano isolados na Fig. 5, para elucidar a influência da matriz da parede celular. Os resultados das hemiceluloses isoladas são mostrados em linhas tracejadas. O xilano de faia comercial, onde a maioria das moieties de ácido urônico existem como sais de Na, foi utilizado juntamente com a amostra desmineralizada (carboxil livre) como xilanos isolados, e suas reatividades pirolíticas foram avaliadas por um procedimento similar utilizado no presente estudo. Com base nos dados de análise de dez espécies de madeira mole e madeira dura em nosso trabalho anterior, a maioria dos grupos carboxílicos livres 4-O-MeGlcA em xylan formariam os sais com cátions metálicos alcalinos e alcalinos, embora alguns estejam envolvidos na formação de ligações ésteres com a lignina, como discutido posteriormente.

Influência da temperatura de pirólise nas taxas de recuperação para: a xilose, b 4-O-MeGlcA, c manose, d arabinose e e galactose em madeiras de faia (círculo preto) e cedro japonês (círculo branco), em comparação com xilan (triângulo branco pontiagudo) isolado: sal Na+, triângulo preto: carboxil livre) e glucomanano isolado (x). Condições de pirólise: taxa de aquecimento (10 °C/min)/fluxo de nitrogênio (100 mL/min)/ nenhum período de retenção

Glucomanano foi isolado da madeira de cedro japonesa de acordo com um procedimento previamente relatado que inclui a extração dos resíduos obtidos pela pré-extração do xilano da holocelulose (madeira deslignificada) utilizando uma solução aquosa de hidróxido de sódio (24%) e ácido bórico (5%). No entanto, esse procedimento concluiu que o contaminante ácido bórico não podia ser removido do glucomanano isolado, mesmo com o uso de resinas. Por estas razões, o glucomanano konjac foi utilizado como o glucomanano isolado aqui.

A temperatura de degradação das unidades de xilose em ambas as madeiras mudou para temperaturas mais elevadas quando comparadas com as xilanas isoladas, sugerindo que o xilano nas paredes celulares de ambas as madeiras está significativamente estabilizado. Além disso, a reactividade é semelhante à do glucomanano na madeira de cedro, tal como descrito acima. As unidades 4-O-MeGlcA também estão estabilizadas nas madeiras, no entanto, a estabilidade observada é diferente para o cedro e para a faia. Estes resultados indicam que as unidades 4-O-MeGlcA ligadas à cadeia xylan estão restringidas nas paredes celulares da madeira, onde o 4-O-MeGlcA não funciona correctamente como um catalisador ácido e base para a degradação do xylan. Estas descobertas proporcionarão uma nova visão aos grupos de pesquisa na área da pirólise da madeira, porque atualmente acredita-se que o xylan é mais reativo que o glucomanano na pirólise da madeira.

A reactividade das unidades de manose apresenta a tendência oposta para as madeiras de cedro e faia; as unidades de manose na madeira de cedro degradaram-se a temperaturas ligeiramente mais elevadas que o glucomanano de konjac, enquanto que as unidades de manose na madeira de faia degradaram-se a temperaturas significativamente mais baixas, embora o teor de glucomanano seja relativamente baixo na faia. Estes resultados sugerem que o ambiente onde o glucomanano existe é diferente na matriz da parede celular das madeiras de cedro e faia. Uma possível explicação para a maior reactividade do glucomanano da madeira de faia é que os grupos 4-O-MeGlcA actuam como catalisadores ácidos/base nas proximidades do glucomanano na parede celular da madeira de faia, como discutido mais adiante.

As unidades de arabinose e galactose na madeira de faia degradam-se a temperaturas mais baixas do que as da madeira de cedro. A maior reactividade das unidades de galactose na faia pode ser explicada pela reactividade do glucomanano, que era maior na faia do que no cedro, porque a galactose é o componente menor do glucomanano em ambas as madeiras. No entanto, a contribuição da pectina deve ser considerada para a reatividade dessas unidades menores de açúcar. A descoloração da madeira de faia que se iniciou a uma temperatura mais baixa de 240 °C, quando comparada com a madeira de cedro (Fig. 3), pode estar relacionada com a maior reactividade das unidades de arabinose e galactose juntamente com o glucomanano.

Reactividade da celulose e atribuição das curvas TG/DTG

Figure 6 ilustra os perfis TG/DTG medidos para madeiras de faia e cedro à mesma taxa de aquecimento (10 °C/min), usados para os experimentos de pirólise acima, juntamente com o comportamento de degradação da celulose e hemiceluloses, expressos em wt% com base no conteúdo da madeira, que foram grosseiramente estimados a partir dos rendimentos de açúcares hidrolisáveis. Os teores de xilano e glucomanano nas madeiras pirolisadas foram calculados multiplicando o respectivo teor na madeira original pela taxa de recuperação do xilósido de metilo e do manosido de metilo obtidos por metanólise, respectivamente. O teor de celulose foi determinado a partir do rendimento em glucose obtido pela hidrólise, subtraindo o rendimento em glucomanano, assumindo que a reactividade das unidades de glucose e manose em glucomanano é semelhante. Embora as curvas TG/DTG apareçam a temperaturas ligeiramente superiores às da degradação dos polissacarídeos da madeira, a comparação do conjunto de dados é útil para a atribuição das curvas TG/DTG.

Perfis de TG termogravimétricos (TG)/Derivados mostrando a recuperação de celulose, xilano e glucomanano de: a madeira de cedro japonesa e b faia japonesa (para determinar o rendimento da glicose apenas foi contada a glicose originada pela celulose)

Um ombro é claramente observado na curva DTG da faia juntamente com um pico, enquanto a curva DTG do cedro exibe apenas um pico largo. Acredita-se anteriormente que tal diferença tenha origem na maior reatividade do xylan que é mais abundante em madeira de lei. A presente investigação, entretanto, esclarece que o glucomanano na faia é significativamente mais reativo que o xilano, o que sugere que o ombro na curva DTG da faia não está relacionado com a reatividade da hemicelulose.

Contrário a isto, o comportamento de degradação da celulose é diferente para as madeiras de cedro e faia. A celulose na faia é estável até ~ 320 °C, onde xilano e glucomanano quase se degradam. Assim, a degradação térmica da celulose ocorre independentemente da degradação da hemicelulose na parede celular da madeira de faia. Inversamente, a celulose na madeira de cedro degrada-se normalmente juntamente com a degradação do xilano e do glucomanano. Consequentemente, como indicado na Fig. 6, a sobreposição das faixas de temperatura para a degradação da celulose de cedro e hemiceluloses leva a um amplo pico DTG.

Influência da ultra-estrutura da parede celular

Esterificação com lignina pode explicar parcialmente a ineficaz atividade catalítica do 4-O-MeGlcA na parede celular da madeira. Três tipos de ligações do complexo lignina-carboidrato (LCC), Cγ-ester com 4-O-MeGlcA, éter benzílico, e fenil glicosídeo, Fig. 7, são relatados em paredes celulares de madeira macia e madeira dura . Esta formação de ésteres torna uma porção das moitas 4-O-MeGlcA inativa como catalisadores ácidos/base para hemiceluloses e celulose. Embora a taxa de esterificação não seja actualmente clara, sugere-se a existência de loites 4-O-MeGlcA livres na parede celular da madeira, com base na capacidade de troca catiónica e distribuição de cátions metálicos alcalinos e alcalino-terrosos dentro das paredes celulares. Assim, alguns dos 4-O-MeGlcA moieties na parede celular são ineficazes, mesmo sem a formação das ligações ésteres com a lignina.

Três tipos de ligações do complexo lignina-carboidrato

Grupos acetilsão ligados à xilana em faia e glucomanano em cedro, embora as hemiceluloses isoladas na Fig. 5 não contenham nenhum grupo acetilsal. Tais grupos acetil podem afetar a reatividade do xilano e glucomanano em paredes de células de madeira. Entretanto, isto não seria importante porque os xilanos em ambas as madeiras apresentam reatividades similares.

Xilano e glucomanano estão normalmente envolvidos na formação de ligações de LCC com a lignina , indicando que a hemicelulose e a lignina existem em proximidade pela formação de ligações químicas. Estas estruturas na matriz da parede celular da madeira podem restringir a mobilidade das moidades 4-O-MeGlcA, embora esta hipótese precise de ser confirmada por mais investigações sobre a matriz da parede celular da madeira e a reactividade pirolítica. A maior reactividade do glucomanano na madeira de faia pode ser explicada por esta hipótese; o glucomanano existe nas proximidades do 4-O-MeGlcA na parede celular da madeira de faia, enquanto que um ataque da cadeia principal da xilose em xilano pelo 4-O-MeGlcA não é possível. Estes resultados serão de interesse significativo para os anatomistas da madeira, assim como para os investigadores no campo da pirólise.

A reactividade pirolítica da celulose é determinada intrinsecamente pela natureza cristalina. As moléculas que compõem os nanocristalitos (dezenas de nm em secção transversal) são estáveis, e por isso, a degradação térmica é iniciada a partir das moléculas da superfície. Antes da decomposição, observa-se um “período de indução” para ativar a celulose, o que levou ao conceito de formação de “celulose ativa” . O papel do fim redutor durante a ativação da celulose para a descoloração térmica e comportamento de perda de peso também é sugerido. Assim, a superfície cristalina de celulose e a interface matriz de hemicelulose-lignina desempenha um papel importante na determinação da reatividade da celulose, como ilustrado na Fig. 8, que é sugerido ser diferente para madeiras de cedro e faia. A degradação da hemicelulose pode ativar as moléculas da superfície da celulose de cedro, entretanto, isto não é observado para a faia.

Role da matriz de hemicelulose-lignina e interface de superfície de microfibrilas de celulose para a reatividade da celulose durante a pirólise, que se espera ser diferente para as madeiras de cedro e faia japonesas

A montagem de celulose e hemiceluloses nas paredes celulares da madeira tem recebido atenção significativa no campo da anatomia da madeira, e são propostos diferentes arranjos para as paredes celulares de madeira macia e madeira dura, como ilustrado na figura. 9. Foi relatada uma forte ligação de glucomanano à celulose em paredes celulares de madeira macia. Com base nos resultados da análise mecânica dinâmica com espectrometria FT-IR, Åkerholm e Salmén relataram a estreita ligação entre a celulose e o glucomanano nas fibras de madeira de abeto (Picea abies) da Noruega, embora o xylan não mostrou interação mecânica com a celulose. Kumagai e Endo utilizaram uma microbalança de cristal de quartzo para estudar a ação da celulase durante a hidrólise enzimática das nanofibras de lignocelulose preparadas a partir do cedro japonês (uma madeira macia) e do eucalipto (uma madeira dura). O relatório concluiu que a celulose é coberta pelo glucomanano no cedro japonês, pois a remoção do glucomanano pelo tratamento com mananase foi necessária para que a celulase se ligasse à celulose. Xilano e lignina são considerados como existindo entre a celulose revestida com glucomanano em madeira mole (Fig. 9a) .

Vista esquemática dos arranjos de parede celular propostos de celulose, hemicelulose e lignina para madeira mole e madeira dura

Conversamente, no caso das paredes celulares de madeira dura, Dammström relatou os dados da análise dinâmica FT-IR do aspen (Populus tremula), sugerindo que o xylan está fortemente associado à celulose, ao invés do glucomanano no caso da madeira macia. A associação de xylan na celulose também é usada para explicar a matriz helicoidal das microfibrilas de celulose; as moieties 4-O-MeGlcA com carga negativa em xylan ligadas à superfície das microfibrilas de celulose ajudam a manter o espaço entre as microfibrilas, produzindo uma mesofase colestérica. No entanto, tem havido controvérsia porque o xylan em solução forma uma tripla conformação helicoidal do parafuso, impedindo a combinação do xylan com a celulose de ter uma conformação dupla. Simmons et al. relataram evidências claras para a ligação do xylan à celulose por RMN de estado sólido; o xylan exibindo um parafuso helicoidal triplo em solução achata em um parafuso helicoidal duplo para se ligar intimamente à celulose. Estas observações também são suportadas por cálculos teóricos. Estas linhas de informação indicam que o xylan se liga a microfibrilas de celulose em vez do glucomanano em paredes celulares de madeira dura, como mostrado na Fig. 9b.

A reactividade da celulose das madeiras de cedro e faia pode ser influenciada de forma diferente pela variação na montagem, embora a elucidação dos mecanismos detalhados até ao momento não seja totalmente compreendida. Assim, são necessárias mais informações relativamente à anatomia da madeira.