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Síntese e caracterização de beads de quitosana comercial reticulados com glutaraldeído

Synthesis and characterization of commercial chitosan beads cross-linked with glutaraldehyde

RESUMO

A quitosana é um polímero natural com propriedades interessantes para remoção de compostos orgânicos. O presente trabalho trata da preparação e caracterização de beads de quitosana utilizando glutaraldeído (GLA) como agente reticulante, para serem futuramente serem aplicados na remoção de compostos orgânicos em matrizes aquosas. A variação na origem da quitosana ou nas suas condições de obtenção pode alterar suas propriedades físico-químicas, gerando modificações nas características dos beads, o que muitas vezes podem tornar os resultados não reprodutíveis.

Existe uma grande dificuldade em comparar resultados obtidos com os da literatura, pois ocorre uma grande quantidade de diferenças nas propriedades físico-químicas da quitosana. Assim, a determinação dessas propriedades ajuda a esclarecer as diferentes características encontradas para os beads, e que irão influenciar em sua aplicação. Inicialmente foi realizada a análise físico-química da quitosana comercial usada no estudo, visto que muitos fabricantes nacionais de quitosana não especificam a metodologia para sua obtenção, nem mesmo suas condições de processamento.

Os beads obtidos a partir de quitosana comercial foram preparados através de um sistema de gotejamento, após o processo de reticulação com glutaraldeído (GLA) (0,75% 2,5% e 25%) as amostras foram caracterizadas por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Fluorescência de Raios - X (FRX), Difração de Raios – X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). O processo de reticulação promoveu alterações nas características de coloração dos beads, indicando efetivação da reticulação, que foi confirmada através da análise de DRX e MEV, visto que houve um aumento da cristalinidade. Com o FTIR foi possível visualizar as ligações formadas entre os grupos funcionais da quitosana com GLA, que ocorreu preferencialmente nos grupos amino. O preparo dos beads mostrou-se adequado, já que resultou em beads semelhantes ao encontrado na literatura.

Palavras-chave
Beads ; Quitosana; Glutaraldeído; Caracterização

ABSTRACT

Chitosan is a natural polymer with interesting properties for removing organic compounds. The present work deals with the preparation and characterization of chitosan beads using glutaraldehyde (GLA) as a crosslinking agent, to be applied in the future to remove organic compounds in aqueous matrices. The variation in the origin of the chitosan or in its conditions of obtaining can alter its physical-chemical properties, generating modifications in the characteristics of the beads, which often can make the results not reproducible.

There is a great difficulty in comparing the results obtained with those in the literature, as there are a large number of differences in the physical and chemical properties of chitosan. Thus, the determination of these properties helps to clarify the different characteristics found for the beads, and which will influence their application. Initially, the physical-chemical analysis of the commercial chitosan used in the study was performed, since many national chitosan manufacturers do not specify the methodology for obtaining it, not even its processing conditions.

The beads obtained from commercial chitosan were prepared using a drip system, after the crosslinking process with glutaraldehyde (GLA) (0.75% 2.5% and 25%) the samples were characterized by Transformed Infrared Spectroscopy Fourier (FTIR), X-Ray Fluorescence (FRX), X-Ray Diffraction (DRX) and Scanning Electron Microscopy (SEM).

The crosslinking process promoted changes in the characteristics of the beads, changing their coloring characteristics, indicating the effectiveness of the crosslinking, which was confirmed through the XRD and SEM analysis, since there was an increase in crystallinity. With the FTIR it was possible to visualize the bonds formed between the functional groups of chitosan with GLA, which occurred preferentially in the amino groups. The preparation of the beads proved to be adequate, since it resulted in beads similar to that found in the literature.

Keywords
Beads ; Chitosan; Glutaraldehyde; Characterization

1. INTRODUÇÃO

Grandes quantidades de substâncias orgânicas são continuamente lançadas no ecossistema, onde o aumento da produção de efluentes orgânicos tem acompanhado o crescimento das diversas áreas da indústria [11 FARIAS, P.V.S., ARAGÃO, D.C., FARIAS, M.V., et al., “Natural and cross-linked chitosan spheres as adsorbents for diesel oil removal”, Adsorption Science & Technology, v. 33, n. 9, pp. 783-792, 2015.]. Os componentes desses efluentes apresentam alta toxicidade, o que pode causar considerável dano ao meio ambiente. Por esse motivo, a pesquisa de materiais alternativos (resíduos industriais) para tratamento de águas residuais tem despertado um interesse crescente [22 VIDAL, R.R.L., MORAES, J.S., “Removal of organic pollutants from wastewater using chitosan: a literature review”, International Journal of Environmental Science and Technology, v. 16, pp. 1741-1754, 2018.].

Biopolímeros como a quitosana, são uma alternativa sustentável, pois provêm de fontes renováveis, alta disponibilidade, baixo custo, e biodegradáveis, contemplando objetivos da química verde, e podendo ser usada em processos industrias que visam uma tecnologia mais limpa [22 VIDAL, R.R.L., MORAES, J.S., “Removal of organic pollutants from wastewater using chitosan: a literature review”, International Journal of Environmental Science and Technology, v. 16, pp. 1741-1754, 2018., 33 CIDREIRA, J.O., MACÊDO, R.R., RANGEL, F.C., et al., “Catalisadores ácidos baseados na simples modificação da quitosana para a esterificação do ácido oleico”. Revista Matéria, v. 23, n. 4, 2018.]. A quitosana é um polímero biodegradável, biocompatível e atóxico, encontrado de modo natural em alguns fungos, e de modo mais comum, como um derivado do processo de desacetilação química da quitina, que consiste na transformação parcial dos grupos acetamina (R-NHCOCH3) da quitina em grupos amina (R-NH2) [44 KANMANI, P., ARAVIND, J., KAMARAJ, M., et al., “Environmental applications of chitosan and cellulosic biopolymers: a comprehensive outlook”, Bioresource Technology, v. 242, pp. 295-303, Out. 2017., 55 NAZ, F., ZUBER, M., ZIA, K.M., et al., “Synthesis and characterization of chitosan-based waterborne polyurethane for textile finishes”, Carbohydrate Polymers, v. 200, pp. 54-62, 2018.]. O grande potencial da quitosana decorre da possibilidade de obtê-la em grande quantidade, podendo ser usada em diversas formas, como por exemplo, na forma de beads (esferas). [66 BEDADE, D.K., SUTAR, Y.B., SINGHAL, R.S. “Chitosan coated calcium alginate beads for covalent immobilization of acrylamidase: process parameters and removal of acrylamide from coffee”, Food Chemistry, v. 275, pp. 95-104, 2019.]. A principal vantagem da quitosana é a existência de posições modificáveis em sua estrutura química, principalmente usando os grupos amina [77 SIGNINI, R., MOREIRA, J.V.I., DE SOUSA, R.B., et al., “Avaliação da adsorção de íons níquel (II) e cádmio (II) em quitosana, quitosana reticulada e carboximetilquitosana reticulada”, Revista Virtual de Química, v.11, n. 1, pp. 237 – 254, 2019.].

A quitosana é encontrada comercialmente em forma de pó. Ainda não existe um padrão internacional dos parâmetros físicos e químicos para este biopolímero. Por ser um polímero natural, a procedência da amostra e os tipos de tratamento que foram empregados para sua obtenção acabam por causar alterações no produto final modificando a massa molecular e viscosidade, resultando em diferentes amostras de quitosana, e ocasionando diferenças na síntese de beads. Por conta desses fatores, se faz necessária a caracterização deste biopolímero [88 SANTOS, J.E.D., SOARES, J.D.P., DOCKAL, E.R., et al., “Caracterização de quitosanas comerciais de diferentes origens”, Polímeros, v. 13, n. 4, pp. 242-249, 2003.]. A caracterização da quitosana pode ser feita levando-se em consideração as propriedades físicas e químicas. As propriedades físicas incluem: tamanho das partículas, densidade, solubilidade e viscosidade. Já as propriedades químicas são a distribuição de massa molecular, grau de desacetilação, pH, índice de cristalinidade, valor de retenção de água, níveis de metais pesados e proteínas [99 DE QUEIROZ ANTONINO, R.S.C.M., LIA FOOK, B.R.P., DE OLIVEIRA LIMA, V.A., et al., “Preparation and characterization of chitosan obtained from shells of shrimp (Litopenaeus vannamei Boone)”, Marine Drugs, v. 15, n. 5, 141, 2017.].

A modificação química da quitosana através da reticulação das cadeias do polímero ajuda a prevenir o inchaço, melhorar a seletividade para poluentes, aprimorar a sua resistência mecânica, bem como aumentar a sua estabilidade química em soluções ácidas e básicas. Todos esses recursos contribuem para sua alta eficiência de adsorção. A reticulação de quitosana com glutaraldeído (GLA) é um exemplo típico de modificação estrutural mediada por produto químico, com o intuito de evitar a dissolução do material reticulado em soluções ácidas ou para melhorar as suas propriedades de adsorção [1010 MARQUES, J.S., PEREIRA, M.R., SOTTO, A., et al., “Removal of aqueous copper (II) by using crosslinked chitosan films”, Reactive and Functional Polymers, v. 134, pp. 31-39, 2019.].

Assim, o objetivo desse trabalho foi realizar a análise físico-química de uma quitosana comercial, e depois produzir e caracterizar beads à base desta quitosana com reticulação com GLA para sua futura aplicação na remoção de compostos orgânicos em matrizes aquosas.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Identificação da Quitosana Comercial

A quitosana foi obtida na Polymar (Brasil), sendo proveniente da carapaça do camarão. Algumas das características especificadas foram: nome químico (poli-2-deoxi-2-amino-glucose), natureza química (polímero linear combinado por ligações β–(1-4)–glicosídica), fórmula química (C6H11O4N)n, massa molecular (Monômero (161 Da); Polímero (60.000 – 300.000 Da) e método de fabricação (desacetilação da quitina).

2.2 Análise Físico–Química da Quitosana Comercial

No Quadro 1 são apresentados os parâmetros utilizados para caracterizar a quitosana comercial.

Quadro 1
Parâmetros fisico-químicos para caracterização da quitosana comercial.

O GD é o grau médio de desacetilação em %; C1 é concentração do HCl (mol/L); V1 é o volume de HCl (mL); C2 é a concentração do NaOH (mol/L); V2 é o volume de NaOH (mL); G é o peso da amostra de quitosana (mg); 161 é a massa de uma unidade monomérica da quitosana; P é o peso inicial da quitosana (g); Q é o peso da quitosana seca (g); ηi é a viscosidade intrínseca (obtida pelo viscosímetro); Mν é a massa molar viscosimétrica média; K e a são constantes que depende do polímero.

2.3 Preparação dos Beads de Quitosana

A quitosana foi dissolvida em solução de ácido acético a 2%. A solução foi mantida em agitação por 12 a 24 horas até total solubilização do polímero. Após esse tempo, um funil de nylon foi usado para remover impurezas. Essa solução foi gotejada sobre uma solução de hidróxido de sódio 8% (p/v), com auxílio de um sistema de gotejamento (Figura 1) Os beads permaneceram na solução de hidróxido de sódio em agitação mecânica por 24h. Ao final, os beads foram lavados com água destilada até pH neutro, seguindo o procedimento descrito por FARIAS et al. [11 FARIAS, P.V.S., ARAGÃO, D.C., FARIAS, M.V., et al., “Natural and cross-linked chitosan spheres as adsorbents for diesel oil removal”, Adsorption Science & Technology, v. 33, n. 9, pp. 783-792, 2015.].

Figura 1
Sistema de gotejamento para produção dos beads.

2.4 Reticulação dos Beads

Soluções aquosas de GLA nas concentrações de 0,75% 2,5% e 25% foram usadas para o processo de reticulação, onde 5 g de beads úmidos de quitosana pura foram adicionados em 50 mL de cada uma destas três soluções de GLA, sem agitação, à temperatura ambiente por 2 h. O procedimento foi adaptado de TORRES [1515 TORRES, M.A., VIEIRA R.S., BEPPU, M.M., et al., “Produção e Caracterização de Microesferas de Quitosana Modificadas Quimicamente”, Polímeros, v.15, n. 4, pp. 306-312, 2005.], NAING et al. [1616 NAING, N.N., LI, S.F.Y., LEE, H.K., “Application of porous membrane-protected chitosan microspheres to determine benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes and styrene in water”, Journal of Chromatography A, v. 1448, pp. 42-48, 2016.] e FARIAS et al. [11 FARIAS, P.V.S., ARAGÃO, D.C., FARIAS, M.V., et al., “Natural and cross-linked chitosan spheres as adsorbents for diesel oil removal”, Adsorption Science & Technology, v. 33, n. 9, pp. 783-792, 2015.].

2.5 Avaliação Qualitativa

A avaliação qualitativa foi executada através de observações visuais, levando-se em consideração a cor, a rigidez e a flexibilidade dos beads obtidos, além de se verificar a espessura dos mesmos.

2.6 Caracterização

2.6.1 Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

A fim de identificar a presença de grupos químicos funcionais específicos nos beads de quitosana pura e reticulados, foi utilizado um espectrômetro FTIR Perkin Elmer precisely, modelo Spectrum, usando pastilhas de KBr (brometo de potássio). As medidas foram realizadas no laboratório do Departamento de Química Orgânica e Inorgânica da Universidade Federal do Ceará (DQOI/UFC).

2.6.2 Fluorescência de Raios - X (FRX)

Foram realizadas análises de fluorescência de raios-X por dispersão de comprimento de onda com o intuito de identificar e determinar os elementos presentes nos biomateriais utilizados neste estudo. As análises foram realizadas utilizando um espectrômetro de Fluorescência de Raios-X por dispersão de comprimento de onda (modelo ZMS Mini II, Rigaku) pelo laboratório de Raios-X da Universidade Federal do Ceará.

2.6.3 Difração de Raios – X (DRX)

A verificação das fases cristalográficas foi realizada mediante medidas de difração de raios-X, conduzidas em difratômetro para amostras policristalinas modelo X-Pert PRO MPD-Panalytical, com spinner e geometria Bragg-Bretano operando em modo contínuo e radiação de CuKα proveniente de tubo de cobre operado com foco linear a 40 kV e 45 mA. Os difratogramas foram obtidos no Laboratório de Raios-X da Universidade Federal do Ceará. A identificação de fases cristalinas foi realizada por meio do software X-Pert HighScore Plus (Panalytical).

2.6.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

As amostras de beads de quitosana com e sem reticulação foram analisados por microscopia eletrônica de varredura - MEV. Para observar a morfologia das superfícies das amostras foi utilizado um microscópio quanta FEG 450-FEI com magnificações de até 10.000 x, utilizando feixe de elétrons com aceleração de 20,0 kV e detectores de elétrons secundários e de energia dispersiva de raios-X no laboratório da Central Analítica da Universidade Federal do Ceará-UFC.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Resultados da Análise Físico–Química

As características físico-químicas da quitosana comercial estão apresentadas na Tabela 1. Este procedimento é necessário devido a muitos fabricantes nacionais de quitosana não especificarem a metodologia para sua obtenção, nem suas condições de processamento.

Tabela 1
Parâmetros fisico-químicos para caracterização da quitosana comercial.

Para ARAÚJO [1717 ARAÚJO, D.O., Quitosana como suporte para imobilização de aspergillus nigeran 400 visando biodegradação de águas residuárias contaminadas com metil paration, Dissertação de M.Sc., Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – Campus Fortaleza, Fortaleza, CE, 2015.] e BEZERRA [1818 BEZERRA, A.M., Síntese e avaliações físico-químicas e biológicas de derivados de quitosana de alta e baixa massa molecular, Dissertação de M.Sc., Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, 2011.] o grau de desacetilação é uma das características mais importantes da quitosana e pode variar entre 50 e 95% (a depender da metodologia utilizada). O valor encontrado foi de 70,6 %, o qual se encontra dentro da faixa relatada pelos autores supracitados. COSTA FILHO [1919 COSTA FILHO, C.F.B., Produção de quitosana a partir de exoesqueleto de camarão (Litopenaeus vannamei) em diferentes tamanhos de partículas avaliando a atividade antibacteriana em bactérias gram positivas e gram negativas, Dissertação de M.Sc., Universidade Católica de Pernambuco, Recife, PE, 2017.] destaca que quando o grau de desacetilação atinge 70% a quitosana é passível de ser solubilizada em soluções aquosas ácidas comportando-se como um polieletrólito catiônico, tornando-se possíveis variadas aplicações.

O teor residual de cinzas apresentou-se muito baixo, indicando que a quitosana utilizada nesse trabalho apresenta pureza elevada (< 1 % para amostras comerciais) [2020 TOLAIMATE, A., DESBRIERES, J., RHAZI, M., et al., “Contribution to the prepa-ration of chitins and chitosans with controlled physico-chemical properties”, Polymers, v. 44, n. 26, pp. 7939-7952, 2003.]. ARAÚJO [1717 ARAÚJO, D.O., Quitosana como suporte para imobilização de aspergillus nigeran 400 visando biodegradação de águas residuárias contaminadas com metil paration, Dissertação de M.Sc., Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – Campus Fortaleza, Fortaleza, CE, 2015.] obteve um teor de cinzas de 1,7% bem semelhante ao encontrado neste estudo. O nível de pureza da quitosana é um fator que tem um efeito profundo em sua solubilidade [2121 SZYMAŃSKA, E., WINNICKA, K., “Stability of chitosan—a challenge for pharmaceutical and biomedical applications”, Marine Drugs, v. 13, n. 4, pp. 1819-1846, 2015.].

Geralmente, a quitosana é de natureza higroscópica e a quitosana comercial possui menos de 10% de teor de umidade [2222 ANAND, M., KALAIVANI, R., MARUTHUPANDY, M., et al., “Extraction and characterization of chitosan from marine crab and squilla collected from the Gulf of Mannar Region, South India”, Journal of Chitin and Chitosan Science, v. 2, n. 4, 280-287, 2014.]. A quitosana comercial apresentou um valor de umidade (perda por dessecação) de 11,1 %, sendo que ARAÚJO [1717 ARAÚJO, D.O., Quitosana como suporte para imobilização de aspergillus nigeran 400 visando biodegradação de águas residuárias contaminadas com metil paration, Dissertação de M.Sc., Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – Campus Fortaleza, Fortaleza, CE, 2015.] encontrou um valor similar (11,5 %). O tempo de armazenamento é um dos fatores que pode aumentar o conteúdo de umidade da quitosana em até 20 % [2323 NO, H.K., PRINYAWIWATKUL, W., “Stability of chitosan powder during long-term storage at room temperature”, Journal of Agricultural and Food Chemistry, v. 57, n. 18, pp. 8434-8438, 2009.]. Com um teor de água de 10%, a quitosana contém uma molécula de água por unidade polimérica, onde nesse intervalo de concentração, as interações quitosana-água são altamente significativas [2424 NETO, C.D.T., GIACOMETTI, J.A., JOB, A.E., et al., “Thermal analysis of chitosan based networks”, Carbohydrate Polymers, v. 62, n. 2, pp. 97-103, 2005.]. A interação água-polímero influencia na estabilidade da quitosana, e consequentemente no preparo do material reticulado [2525 CAPITANI, D., CRESCENZI, V., DE ANGELIS, A.A., et al., “Water in hydrogels. An NMR study of water/polymer interactions in weakly cross-linked chitosan networks”, Macromolecules, v. 34, n. 2, pp. 4136-4144, 2001.]. Quanto maior o conteúdo de água na estrutura da quitosana, mais rápido e pronunciado é o dano do polímero (via reações de hidrólise) e mais rápida é sua degradação [2626 VILJOEN, J.M., STEENEKAMP, J.H., MARAIS, A.F., et al., “Effect of moisture content, temperature and exposure time on the physical stability of chitosan powder and tablets”, Drug Development and Industrial Pharmacy, v. 40, n. 6, pp. 730-742, 2014.].

A partir dos valores obtidos para viscosidade (161,1cps) e GD (70,6 %), ao observar os valores encontrados por SILVA [2727 SILVA, J.N., Esferas de alumina funcionalizadas com nanopartículas de ouro e prata obtidos a partir do biopolímero quitosana, Dissertação de M.Sc., Universidade Federal de Pernambuco, Recife, PE, 2010.], cuja viscosidade foi superior a 200 cps e GD maior que 85 %, concluiu-se que de modo geral, a viscosidade aumenta com o grau de desacetilação. Tal autor afirma que a viscosidade de uma solução de quitosana aumenta à medida que aumenta a concentração da amostra, à medida que diminui a temperatura e aumenta o grau de desacetilação.

Por ser um biopolímero, qualquer variação na origem da matéria prima ou nas condições de obtenção altera as propriedades do produto final, o que muitas vezes tornam os resultados não reprodutíveis [1414 FONSECA, A.C.M., Processos de obtenção e caracterização físico-química de quitinas e quitosanas extraídas dos rejeitos da indústria pesqueira da região de Cananéia-SP. Dissertação de M.Sc., Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo, SP, 2016.]. Desse modo, amostras distintas de quitosana podem apresentar massa molar variável. Segundo os critérios de WONG [2828 WONG, T.W., “Chitosan and its uses in desing of insulin delivery system”, Recents Patents on Drug Delivery & Formulation, v. 3, n. 1, pp. 8 - 25, 2009.], a massa molar obtida neste estudo é classificada como sendo de média massa molar. LUPATINI [2929 LUPATINI, K.N., Desenvolvimento de membranas de quitosana para aplicação em células a combustível, Dissertação de M.Sc., Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, PR, 2016.] obteve uma massa molar (220,8 kDa) que corrobora com valores encontrado neste estudo (268, 87 kDa), vale destacar que ambas as quitosanas são provenientes da carapaça do camarão.

3.2 Resultados da Avaliação Qualitativa

O Quadro 2 apresenta a nomenclatura das amostras, enquanto a Figura 2 mostra a comparação dos beads úmidos e secos, com seus respectivos diâmetros, na Figura 3 é feita a comparação do processo de liofilização dos beads.

Quadro 2
Nomenclatura dos beads de quitosana pura e reticulados.
Figura 2
Beads úmidos e secos (temperatura ambiente) com seus respectivos diâmetros.
Figura 3
Beads liofilizados.

Com o processo de reticulação houve uma alteração da coloração que passaram de brancas para marrom. Os beads mostraram-se consistentes e uniformes, provavelmente devido ao eficiente controle do sistema de gotejamento. Em geral, os beads de BQt, BGLA1, BGLA2 e BGLA3 secos a temperatura ambiente apresentaram um diâmetro médio de 3,0 mm, quando intumescidos. Após a evaporação do líquido os beads de todas as amostras é reduzido para 1,3 mm aproximadamente, ocorrendo quase 44% de perda de diâmetro após a secagem. Geralmente beads úmidos possuem cerca de 90 - 95% de conteúdo de água, denotando uma natureza hidrofílica [3030 CONTRERAS-CORTÉS, A.G., ALMENDARIZ-TAPIA, F.J., GÓMEZ-ÁLVAREZ, A., et al., “Toxicological assessment of cross-linked beads of chitosan-alginate and Aspergillus australensis biomass, with efficiency as biosorbent for copper removal”, Polymers, v. 11, n. 2, pp. 222 (2-17), 2019.]. Uma vez que a diminuição do tamanho dos beads foi resultado da perda de conteúdo de água, o resultado demonstra que os beads úmidos não possuem uma natureza tão hidrofílica. Beads expostos a maiores quantidades de GLA costumam apresentar maiores valores de massa molar, fazendo com que as matrizes formadas possuam uma estrutura mais rígida [3131 KULKARNI, A.R., SOPPIMATH, K.S., AMINABHAVI, T.M., et al., “Glutaraldehyde crosslinked sodium alginate beads containing liquid pesticide for soil application”, Journal of Controlled Release, v. 63, n. 1-2, pp. 97-105, 2000.]. Houve diferença apenas na resistência dos beads, onde quanto mais GLA foi adicionado, mais frágeis os beads ficaram.

Com intuito de observar o aspecto dos beads após secagem, realizaram-se dois procedimentos, secagem a temperatura ambiente e liofilização (Figura 3). Concluiu-se que o modo de secagem influencia na característica final, uma vez que beads secos a temperatura ambiente mantiveram sua estrutura esférica e apresentaram-se bastante resistentes às forças físicas (Figura 2 – BGLA3 seco). Já os beads liofilizados apresentaram fragilidade e deformação na sua estrutura. Torres [1515 TORRES, M.A., VIEIRA R.S., BEPPU, M.M., et al., “Produção e Caracterização de Microesferas de Quitosana Modificadas Quimicamente”, Polímeros, v.15, n. 4, pp. 306-312, 2005.] destaca que bioadsorventes obtidos na forma úmida e que passam por processo de liofilização apresentam baixa resistência mecânica, podendo chegar ao rompimento dos poros.

3.3 Resultados da FTIR

A Figura 4 mostra os espectros de absorção das amostras, que foram comparados para verificar a estrutura química da quitosana, e se houve modificação no processo de reticulação. Todas as amostras apresentam bandas características com estiramentos O–H e N–H, entre 3000–3700 cm-1, estiramento C–H (assimétrico) em –CH2 (grupos metílicos), entre 2923–2946 cm-1, onde tal banda é intensificada à medida que ocorre o aumento do GLA [3232 WU, C.H., et al., “Improvement of oxygen release from calcium peroxide – polyvinyl alcohol beads by adding low – cost bamboo biochar and its applicationin bioremediation”, Clean Soil Air Water, v. 43, n. 2, pp. 287 – 295, 2014.]. Nas amostras reticuladas, uma banda relacionada ao C–H (simétrico) aparece entre 2870–2892 cm-1, que também se intensifica com o aumento do GLA [3333 COSTA Jr., E.S., MANSUR, H.S. “Preparação e caracterização de blendas de quitosana/poli(álcool vinílico) reticuladas quimicamente com glutaraldeído para aplicação em engenharia de tecido”, Química Nova, v. 31, n. 6, pp. 1460 – 1466, 2008.].

Figura 4
Espectros de FTIR para as amostras de beads.

A banda observada entre 1635–1678 cm-1 pode ser atribuída a deformação axial do grupo C=O (amida) nos demais grupos acetila ou a ligação imina (C=N) [3434 CONSTANTINI, S.M., et al., “Formulation and caracterization of new polymeric Systems based on chitosan and xanthine derivates with thiazolidin -4- one scaffold”, Materials, v. 12, n. 4, pp. 558, 2019.]. A ligação C=N é formada durante o processo de reticulação com GLA. A reticulação de quitosana com GLA se dá a partir da reação entre os grupos –NH2 e –OH do biopolímero com os grupos –C=O do reticulante, culminando, dessa forma, na perda de uma molécula de água e na formação de ligação imina (C=N). O aparecimento de uma banda a 1700 cm-1 (BGLA2) e a 1718 cm-1 (BGLA3) pode estar relacionado com a presença de ligação de aldeído livre (grupos de aldeído que não reagiram) [11 FARIAS, P.V.S., ARAGÃO, D.C., FARIAS, M.V., et al., “Natural and cross-linked chitosan spheres as adsorbents for diesel oil removal”, Adsorption Science & Technology, v. 33, n. 9, pp. 783-792, 2015.].

Nos beads reticulados, a banda entre 1568–1605 cm-1, indica a presença de ligação etilênica (C = C). Na banda entre 1455 a 1461 cm-1 é observada uma deformação do grupo amida (C–N). Outras deformações também são observadas entre as bandas 1362–1386 cm-1 e 1249–1264 cm-1, referentes ao grupo –CH3 [11 FARIAS, P.V.S., ARAGÃO, D.C., FARIAS, M.V., et al., “Natural and cross-linked chitosan spheres as adsorbents for diesel oil removal”, Adsorption Science & Technology, v. 33, n. 9, pp. 783-792, 2015.]. As bandas entre 1075 e 1116 cm-1, correspondem à vibração do grupo amina [3535 BEPPU, M.M., et al., “Síntese e caracterização de estruturas densas e porosas de quitosana”, Polímeros, v. 9, n. 4, pp. 163 – 169, 1999.]. Também ocorrem bandas na região de 668–661 cm-1 referentes ao surgimento de estruturas poliméricas que possuem anel aromático, fruto da reticulação dessa natureza [3636 FARIA, C.C., TONELLO, P.S., “Estudo comparativo de adsorção de íons metálicos em meio aquoso por membranas de quitosana reticuladas”, Revista Brasileira de Ciências Ambientais, n. 47, pp. 101-115, 2018.].

3.4 Resultados do FRX

Na Tabela 2 são apresentados os elementos identificados através da análise de FRX para os beads. O cálcio foi o elemento que apresentou o teor mais pronunciado. A presença deste elemento tem relação direta com a etapa de desmineralização das carapaças de camarão, cujo objetivo é a remoção de minerais (principalmente CaCO3). A ineficiência do processo resulta na presença deste e demais minerais. A presença do cloro também é consequência da etapa de desmineralização uma vez que se utiliza ácido clorídrico (HCl).

Tabela 2
FRX quantitativo dos beads (valores dados em % de massa).

O Ferro e outros minerais (Tabela 2) são consequência dos reagentes alcalinos utilizados na neutralização convencional do pH da drenagem ácida (CaO, CaCO3, NaOH, Na2CO3), que produzem um volume considerável de resíduos sólidos ricos em ferro e outros metais. A presença do cádmio e demais elementos é proveniente da contaminação da fonte natural da quitina e do processo de transformação da quitosana [3737 TAOKAEW, S., et al., “Size distribution and characteris tics of chitin microgels prepard via emulsified reverse – micelle”, Materials, v. 12, n. 7, pp. 1160, 2019.]. O próprio cultivo do camarão ou ração utilizada podem conter metais e causar bioacumulação no sistema digestório do camarão [3838 CAVALHEIRO, T.B., et al., “Crescimento do camarão litopenaeus vannamei em viveiros e tanques utilizando efluente do processo de dessalinização”, Gaia Scientia, v. 10, n. 4, pp. 319 -337, 2016.]. Por apresentar um grau de pureza de 25%, o GLA pode ser uma possível fonte de contaminação, já que após a reticulação as concentrações de P, K e Cl aumentaram.

3.5 Resultados da DRX

O DRX foi utilizado para investigar a mudança da estrutura da quitosana com e sem a reticulação. A Figura 5 apresenta os difratogramas das amostras dos beads. O difratograma de BQt apresentou dois picos, sendo um em torno de 2θ = 12º e outro por volta de 2θ = 23,5°, evidenciando a parte cristalina do material, onde abaixo dos picos foi observada uma ampla faixa representando a forma amorfa do material.

Figura 5
Difratograma das amostras de beads.

O perfil semicristalino apresentado pela quitosana é decorrente das fortes interações inter e intramoleculares, o que confere certa organização à estrutura, sendo tais interações provenientes da presença de pontes de hidrogênio formadas entre os grupos amina, amida, álcool e outros grupos funcionais presentes na molécula [3939 UrAGAMI T., TOKURA S., Material Science of Chitin and Chitosan., 1a ed. Kodansha, Ltd. Springer, 2006.]. No processo de reticulação ocorre a supressão dos dois picos de BQt anteriormente relatados, que desaparecem totalmente na maior concentração do agente reticulante (BGLA3).

O difratograma de BQt também apresenta um discreto pico em torno de 2θ = 20,8º, cuja intensidade aumentou proporcionalmente em relação a concentração de GLA. Tal característica pode ser atribuída provavelmente a uma maior organização das cadeias da quitosana durante a reação de reticulação, ou pela orientação dos planos cristalinos durante o processo de formação do bead [4040 SILVA, M.C., et al., “Esferas de quitosana/curcumina pelo método de gelificação ionotrópica: influência da incorporação do fármaco”, Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v. 10, n. 1, pp. 21-28, 2015.]. Verifica-se ainda picos de menor intensidade em 2θ =36,6°, 42,5°, 43° e 48°, que ficaram também mais nítidos com o aumento da concentração do GLA. Yin et al. [4141 YIN, X., et al., “Metal-coordinating controlled oxidative degradation of chitosan and antioxidant activity of chitosan-metal complex”, ARKIVOC, v. 9, pp. 66 –78, Ago. 2004.] relata que tais picos são característicos de regiões cristalinas da quitosana.

3.6 Resultados da MEV

A análise de MEV foi realizada com a finalidade de se analisar a morfologia superficial dos adsorventes. A superfície de um material adsorvente possui grande importância na capacidade de remoção de um adsorvato, visto que, influencia no acesso das moléculas do soluto aos sítios de adsorção, facilitando ou dificultando este processo [77 SIGNINI, R., MOREIRA, J.V.I., DE SOUSA, R.B., et al., “Avaliação da adsorção de íons níquel (II) e cádmio (II) em quitosana, quitosana reticulada e carboximetilquitosana reticulada”, Revista Virtual de Química, v.11, n. 1, pp. 237 – 254, 2019.].

A Figura 6 mostra o MEV das amostras dos beads. O BQt apresenta falta de uniformidade na superfície, sem aparente estrutura de poros, onde segundo XUE e WILSON [4242 XUE, C., WILSON, L.D, “Kinetic study on urea uptake with chitosan based materials”, Carbohydrate Polymers, v. 135, pp. 180 – 186, 2016.] isso é consistente com a natureza cristalina e devido as camadas desse polissacarídeo. Nos beads reticulados houve uma alteração significativa na superfície, tornando-a mais uniforme e com a presença de poros. Segundo Naing et al. [1616 NAING, N.N., LI, S.F.Y., LEE, H.K., “Application of porous membrane-protected chitosan microspheres to determine benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes and styrene in water”, Journal of Chromatography A, v. 1448, pp. 42-48, 2016.] beads reticulados apresentam superfície mais áspera e com aspecto esponjoso do que beads não reticulados.

Figura 6
MEV das amostras de beads.

4. CONCLUSÕES

A determinação das propriedades físico-químicas da quitosana utilizada ajuda a esclarecer as diferentes características encontradas na literatura para os beads, e que irão influenciar em sua aplicação. O estudo da metodologia de preparação de beads de quitosana mostrou-se adequado. Os resultados da análise de FTIR indicaram que a reação de reticulação entre quitosana e GLA ocorre preferencialmente nos grupos amino e hidroxila, respectivamente. Os resultados de DRX e MEV mostraram que o GLA aumentou a cristalinidade e porosidade dos beads de quitosana, sendo estas características intensificadas com o aumento do grau de reticulação.

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com apoio da CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, bem como o Laboratório de Análises de Traços – LAT e Parque de Desenvolvimento Tecnológico – PADETEC.

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    24 Maio 2021
  • Data do Fascículo
    2021

Histórico

  • Recebido
    23 Ago 2020
  • Aceito
    16 Fev 2021
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