Tese
Complexos polieletrólitos quitosano-carboximetilcelulose: estudo físico-químico e aplicabilidade como carreadores de vitaminas e adsorventes de poluentes
Chitosan-carboxymethylcellulose polyelectrolyte complexes: physical-chemical study and applicability as carriers of vitamins and adsorbents of pollutants
Registro en:
FERREIRA, Danielle Cristine Mota. Complexos polieletrólitos quitosano-carboximetilcelulose: estudo físico-químico e aplicabilidade como carreadores de vitaminas e adsorventes de poluentes. 2023. 154 f. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Alimentos) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2023.
Autor
Ferreira, Danielle Cristine Mota
Institución
Resumen
A área de Ciência e Tecnologia de Alimentos e setores de pesquisa e desenvolvimento industrial têm buscado estratégias que visam à diversificação de produtos e processos. Embora existam estudos que descrevem a importância da interação entre polissacarídeos e sua aplicabilidade tecnológica, ainda são escassos nas bases de dados disponíveis, estudos amplos que contemplem aspectos físico-químicos e técnico-funcionais sobre a interação entre quitosano (CHS) e carboximetilcelulose (CMC). Nesse sentido, foram estudados o efeito da proporção de mistura de quitosano e carboximetilcelulose, da temperatura e do pH na formação de sistemas macro e micro-estruturados. Os resultados de FT-IR revelaram que os complexos formados por CHS e CMC foram promovidos pela interação eletrostática e, possivelmente, por pontes de hidrogênio. Na proporção de 1:2 (CHS/CMC) e à 25 °C, o potencial ζ do sistema foi próximo de zero e os macro-complexos polieletrólitos (macro-PECs) tiveram rendimento máximo, apresentaram estrutura altamente porosa e visualmente estáveis em solução aquosa por semanas. Macro-PECs foram, portanto, aplicados como adsorventes de corantes (Amarelo Crepúsculo, Azul de Metileno, Vermelho Congo e Safranina) e metais pesados (Cd 2+ e Pb 2+ ). O modelo de adsorção de Langmuir sugeriu homogeneidade da superfície das partículas dos macro-PECs. A cinética de adsorção mostrou que os processos podem seguir o modelo de pseudo-primeira ou pseudo-segunda ordem. Já os micro-PECs se apresentaram como partículas coloidais dispersas, classificadas como amorfas e termicamente estáveis, eficazes no processo de entrega controlada de niacinamida, alcançando 4,85% e 80,78% e capacidade máxima de carga (LC) e a eficiência de encapsulamento (EE), respectivamente. O fator pH teve maior influência nas respostas (EE e LC) estudadas, sendo o processo de produção de estruturas carreadoras favorecido em valores de pH mais baixos (3,0). A utilização de tempos de processo mais curtos favoreceu a formação dos sistemas de carreamento em termos práticos e econômicos. O estudo de liberação in vitro de micro-PECs CHS/CMC de niacinamida, realizado em diferentes condições de pH, mimetizando a condição do trato gastrointestinal, indicou que a liberação máxima de niacinamida ocorreu após cerca de 4,5 h e as constantes do modelo de ordem zero (K 0 ) foram baixas e semelhantes para todos os sistemas estudados, demonstrando uma baixa taxa de liberação e indicando que o processo de liberação de niacinamida dos micro-PECs CHS/CMC ocorre principalmente por difusão. O impacto promissor dos sistemas macro e micro-estruturados de quitosano e carboximetilcelulose em sistemas-modelo de adsorção de poluentes, em sistemas aquosos, e em sistemas-modelo de liberação controlada de compostos bioativos hidrofílicos apontou ampla gama de técnico- funcionalidades em diversos setores, como por exemplo indústria alimentícia, química, têxtil e farmacêutica. Palavras-chave: Estruturas supramoleculares. Interação CHS-CMC. Sistemas coloidais. Tratamento de água poluída. Controle e liberação controlada. The Food Science and Technology area and industrial research and development sectors have sought strategies aimed at diversifying products and processes. Although there are studies that describe the importance of the interaction between polysaccharides and their technological applicability, the available databases are still scarce, broad studies that address physical- chemical and technical-functional aspects of the interaction between chitosan and carboxymethylcellulose. In this sense, the effect of the mixture proportion of chitosan and carboxymethylcellulose, temperature and pH in the formation of macro and micro-structured systems were studied. The FT-IR results revealed that the complexes formed by CHS and CMC were promoted by electrostatic interaction and, possibly, hydrogen bonds. At the ratio of 1:2 and 25 °C, the ζ potential of the system was close to zero and the macro-polyelectrolyte complexes (macro-PECs) had maximum yield, had a highly porous structure, and were visually stable in aqueous solution for weeks. Macro-PECs have therefore been effectively applied as adsorbents for dyes (Sunset Yellow, Methylene Blue, Congo Red, and Safranin) and heavy metals (Cd 2+ and Pb 2+ ). The Langmuir adsorption model suggested surface homogeneity of macro-PEC particles. The adsorption kinetics showed that the processes can follow the pseudo- first or pseudo-second-order model. The micro-PECs, on the other hand, appeared as dispersed colloidal particles, classified as amorphous and thermally stable, effective in the process of controlled delivery of niacinamide, reaching 4.85% and 80.78% of maximum load capacity (LC) and efficiency encapsulation (EE), respectively. The pH factor had the greatest influence on the responses (EE and LC) studied, with the production process of carrier structures being favored at lower pH values (3.0). The use of shorter process times favored the formation of carrier systems in practical and economic terms. The in vitro release study of CHS/CMC micro- PECs of niacinamide performed under different pH conditions, mimicking the condition of the gastrointestinal tract, indicated that the maximum release of niacinamide occurred after about 4.5 hours and the model constants of zero order (K0) were low and similar for all systems studied, demonstrating a low release rate and indicating that the process of niacinamide release from CHS/CMC micro-PECs occurs mainly by diffusion. The promising impact of macro and micro-structured systems of chitosan and carboxymethylcellulose in model systems of adsorption of pollutants in aqueous systems and in model systems of controlled release of hydrophilic bioactive compounds pointed to a wide range of technical functionalities in several sectors, such as example food, chemical, textile and pharmaceutical industries. Keywords: Supramolecular Structures. CHS-CMC Interaction. Colloidal Systems. Polluted Water Treatment. Controlled Release. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES