MANOSA_MARFIL Vegetal

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Revista Investigaciones Aplicadas No. 2 (2007) 6-12Publicada en línea por la Universidad Pontificia Bolivarianahttp://convena.upb.edu.co/~revistaaplicada ISSN

CARACTERIZACIÓN DE POLISÁCARIDOS NATURALES OBTENIDOSA PARTIR DE FUENTES COLOMBIANAS

J. Saldarriaga, R. Zuluaga, C. Álvarez, P. Gañán†

Universidad Pontificia Bolivariana, Cq. 1 #70-01, of. 11-259, Medellín, Colombia

Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales

Recibido 22 Octubre 2007; aceptado 18 Diciembre 2007Disponible en línea: 27 Diciembre 2007

Resumen: En este trabajo, se han estudiado dos polisacáridos semicristalinos, lacelulosa y la manosa, obtenidos a partir de tres tipos de fuentes naturalescolombianas. La celulosa fue aislada de residuos fibrosos (raquis) de Musaceas y de

cultivos de Acetobacter xylium spp. En el caso de la manosa, esta fue obtenida desemillas maduras de Phytelephas Macrocarpa Palmae (marfil vegetal o Tagua).Componentes no celulósicos fueron observados en ambas muestras de celulosa, loscuales pueden afectar tanto la estabilidad térmica como el diámetro final de lasmicrofibrillas aisladas. Los ensayos de espectroscopía infrarroja FTIR indican quecomponentes diferentes a la manosa están presentes en las muestras caracterizadas,lo cual indica que tratamientos adicionales pueden mejorar la pureza del polisacárido. Copyright © 2007 UPB.

Abstract: In this work, crystalline polysaccharides as cellulose and mannan isolatedfrom three different Colombian natural resources were studied. Cellulosemicrofibrils were isolated from Musaceae fibrous residues as rachis and Acetobacter

xylium spp whereas mannan was obtained form maturate seeds of Phytelephas Macrocarpa Palmae (Ivory nut or Tagua). Non-cellulosic component observed on both cellulose samples affect the thermal stability and the diameter of cellulosemicrofibrils. FTIR spectroscopy shows non-mannans components on ivory nutsamples. This result suggest than an additional treatment step improves the purity of polysaccharide isolated.

Keywords: Polysaccharides, Cellulose, Mannan, Colombian natural resources,Physical characterization, Morphology

† Autor al que se le dirige la correspondencia:Tel. (+574) 4159095 ext 117, fax 4112372.E-mail: [email protected] (Piedad Gañán).

1. INTRODUCCIÓN

En los últimos treinta años, la preocupacióndebido a la contaminación asociada a la presencia

de compuestos sintéticos como los plásticos y su

incidencia sobre los suelos de cultivo, rellenossanitarios y otros métodos de disposición deresiduos sólidos ha incrementado de manera

mailto:[email protected]

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J. Saldarriaga, R. Zuluaga, C. Álvarez, P. Gañán / Investigaciones Aplicadas No. 2 (2007) 6-12

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considerable. Pese al uso de aditivos que buscanincrementar la degradación de los materialessintéticos, la alternativa de emplear materias primas de origen natural, buscando asegurar la biodegradabilidad, se convierte cada vez en unamejor opción, pues estos compuestos cumplencon los requerimientos que desde el punto de

vista ecológico se han establecido para unaadecuada disposición final del material. Estoscriterios incluyen las siguientes etapas(Albertsson, 1993; Arvanitoyannis et al., 1998):

1. Un tiempo de inducción durante el cual no se presentan cambios en las propiedades.

2. Al final del período de inducción puede presentarse un acelerado estado defragmentación.

3. En la etapa final se presenta una asimilaciónde los productos de la fragmentación por el

ecosistema.Dentro de las potenciales materias primas que permiten cumplir con estos requerimientos seencuentran los polisacáridos de origen natural,que gracias a las múltiples fuentes de los cuales pueden ser aislados, cuentan con una altadisponibilidad y un costo moderado.

Sumado al desarrollo de materiales poliméricos ocomposites, otros sectores como el alimenticio, elcosmético o el biomédico ven en este tipo de

sustancias materias primas de calidad para eldesarrollo de múltiples productos. En este sentidoColombia debido tanto a su biodiversidad como asu alta vocación agrícola, cuenta con un gran potencial para el aprovechamiento o explotaciónde polisacáridos semicristalinos como la celulosay la manosa, los cuales pueden ser aislados biensea de las paredes vegetales de las plantas o como producto de la actividad extracelular demicroorganismos como bacterias. Estoscompuestos pueden ser ampliamente utilizados bien sea como reforzantes de compuestos, en elcaso de la celulosa, o como aditivo para pinturas, papel, cuero, textiles, pinturas, industria plástica,coméstica y de alimentos. Pese a lo anterior, hastaahora existen muy pocas referencias respecto alaislamiento o aún más utilización de este tipo decompuestos obtenidos a partir de fuentescolombianas (Zuluaga et al., 2007).

La celulosa es un polímero semicristalinohomogéneo compuesto por unidades β-(1-4)glucosa. Su principal fuente son las paredescelulares de las plantas, en donde se encuentra

unida a hemicelulosas, lignina y pectinas principalmente. La mayor parte de la celuosa deorigen vegetal que se extrae a nivel mundial procede de maderas, sin embargo en los últimosaños otras especies vegetales no madereras eincluso residuos agroindustriales se vienenempleando, tal es el caso de los desechos de

cultivos de cereales (Sun et al., 2004), o Musaceas (Zuluaga et al., 2007). Es posibleobtener celulosa de algas como la Valonia (Baker et al., 1997) o la actividad extracelular demicroorganismos como el Acetobacter,

Agrobacteria, Rhizobia o Sarcina (Jung et al.,2005). El tipo de fuente empleada condicionatanto las características físicas como morfológicasy mecánicas de la celulosa.

En el caso de la manosa, se encuentra conformada por unidades β-1,4-manosa. Es un material

abundante en la naturaleza y se encuentra comohomopolímero en los endospermas de plantascomo Phytelephas Macrocarpa Palmae

(conocida en Colombia como Tagua y en otrasregiones del mundo como marfil vegetal)combinado con celulosa y hemicelulosas enalgunos casos. También se encuentra presente enalgas como Codiaceas o Dasycladaceas (Hori etal., 2007) y semillas de leguminosas (Petkowiczet al., 2001). Cuenta con dos fases, el tipo I seencuentra en la naturaleza en un alto estadocristalino, en tanto que la tipo II es más

semicristalina. Pese que existen varios estudiossobre su composición y morfología (Chanzy et.al., 1987, Hori et al., 2007, Kapoor et al., 1995) no existen mayor información sobre especies producidas en Colombia, pues hasta el momentosus aplicaciones se encuentran orientadas aldesarrollo de artesanías. En el presente trabajo, seexponen entonces los principales aspectosrelacionados con la composición química,estructura cristalina y comportamiento térmico demuestras de celulosa y manosa obtenidas defuentes naturales colombianas y que incluyendesechos agroindustriales de Musaceas, obtenidasmediante los procesos fermentativos del Acetobacter xylinum spp y de semillas madurasde Phytelephas Macrocarpa Palmae.

2. METOLOGÍA

2.1. Materiales

Las muestras analizadas proceden de dos fuentes:




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• Haces fibrosos extraídos de raquis de banano( Musa AAB, variedades Valery y Gran

Enano) cultivadas en la región de Urabá(Colombia).

• La celulosa bacteriana fue obtenida de laactividad extracelular del Acetobacter

xylinum spp, tradicionalmente empleado para

la elaboración de vinagre casero.• Semillas maduras de Phytelephas

Macrocarpa Palmae recolectadas en la regiónnorte del departamento de Chocó (Colombia)y que tradicionalmente son empleadas para laelaboración de productos artesanales.

2.2. Obtención de los polisacáridos

Tras someterlos a un proceso de secado a 105 °Cdurante 24 h, los haces fibrosos de raquis de banano obtenidos mediante extracción mecánica

en un equipo de desfibrado mecánico dotado concuchillas de acero, fueron sometidos a la acciónde diversos tratamientos químicos sucesivos, yque esencialmente son:• Disposición de los haces fibrosos en una

solución de KOH al 5 % en peso durante 14 ha temperatura ambiente.

• Tras alcanzar un pH neutro, el precipitado sedispone en una solución al 1 % en peso de NaClO2 a 70 ºC durante 1h.

• El precipitado es nuevamente puesto en unasolución de solución al 5 % en peso de KOH

durante 14 h a temperatura ambiente.• Los tratamientos químicos finalizan

utilizando una solución de HCl al 1 % en peso a 80 ºC durante 2 h.

Una vez el residuo final alcanza un pH neutro, essometido a la acción mecánica, utilizando unwaring blender , durante varios minutos. Estasmuestras serán denominadas en el resto del textocomo R.

En el caso de la celulosa bacterial, una cepa de un

precultivo elaborado a partir de Acetobacter xylinum spp fue utilizada. Para ello, se realizó lainoculación de 10 ml del sobrenadante de un precultivo, la cual fue dispuesta en 1 l de sustratorico en glucosa, como el jugo de piña. El pH delmedio fue ajustado a 4,0 con ácido acético al 10% con miras a estimular la producción decelulosa. Este cultivo se realizó en condicionesestáticas, a temperatura ambiente y en un lugar oscuro. Las muestras de celulosa fueron extraídasa partir del quinto día del montaje del cultivo.

Para su análisis fueron lavadas cuidadosamenteutilizando agua destilada hasta alcanzar un pHneutro. La denominación para estas muestras enel texto será B.Para realizar una adecuada caracterización, lassemillas de maduras de Phytelephas Macrocarpa

Palmae fueron sometidas a un vigoroso raspado

mecánico utilizando herramientas tradicionalescomo sierras metálicas. El resultado fue un polvo blanco con un tamaño de malla de 240. Estasmuestras serán denominadas en lo sucesivo comoT.

2.3. Caracterización de los polisacáridos

Los ensayos de espectroscopia infrarroja FTIR fueron realizados empleando un equipo marca Nicolet 460 ESP. Al menos 20 barridos usandouna resolución de 4 cm-1 fueron llevados cabo en

cada una de las muestras. En cuanto al estudio dela estructura cristalina, fue utilizado undifractómetro Rigaku Miniflex 3D/Max con unaradiación de Ni filtrada con CuK α en unalongitud de onda de 0,1542 nm. La unidad fueoperada a 40 kV y 30 mA, con un velocidad deevaluación del ángulo de 5-50º a 2 º/min.

El análisis térmico de las muestras fue realizadoen un equipo de termogravimetría marca Metler

Toledo TGA/SDTA85, utilizando atmósfera denitrógeno y una velocidad de calentamiento de 10

°C/min.Con miras a establecer el tamaño de las muestrasde celulosa aisladas, un microscopio de fuerzaatómica marca Nanoscope IIIa (DigitalInstruments, Santa Barbara CA, USA) con unacabeza multimodo fue utilizado para la muestraR. Mientras que la celulosa bacterial, muestra B,fue analizado a través de micrografías realizadasen un microscopio electrónico de barrido, Jeol

JSM 5910 LV . Debido a la naturaleza noconductora de las muestras, estas fueron

recubiertas con oro empleando un sputter coater .

3. RESULTADOS

Los espectros de los tres tipos de muestrasaisladas se presentan en la Fig. 1. En las tresmuestras existe una marcada presencia de losgrupos hidrófilos, especialmente en la regiónentre 3400 y 3300 cm-1 así como alrededor de1650 cm-1, lo cual indica su tendencia a lacaptación de humedad. En el caso de la muestra




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T, en esta región se encuentran las bandas 3504,3479 y 3375 cm-1, que están asociadas a la presencia de manosa cristalina, posiblemente detipo I, tal como lo indican autores como Hori etal. (2007).

En todas las muestras, bandas asociadas con la

celulosa tales como 1426 cm-1

relacionada con lasvibraciones asimétricas del grupo CH y simétricasdel grupo CH alrededor en la zona entre 1380-1320 cm-1 son observadas. En las muestras R y Bse aprecian adicionalmente vibraciones de losgrupos C-O-C en la región entre 1200 a 1100 cm-1 y de los CO en la región cercana a 1060 cm-1, aúncuando en la muestra B existe un alto grado desaturación de la región. Lo cual indica unamarcada presencia de celulosa en las muestras R y B.

En el caso de la muestra R, se observanvibraciones en la región de 1730 cm-1 que serelacionan con componente no celulósicas, talescomo hemicelulosas residuales como la xilosa, ycuya presencia puede afectar el tamaño de lamuestra aislada. En la muestra B, también existenvibraciones en esta región, y que sumadas aapreciada en 1250 cm-1 indican la presencia de pectinas (Kacuráková et al., 2002). De acuerdocon esto, la muestra bacterial debe ser sometida amayores procesos de limpieza con miras aincrementar la pureza de la celulosa obtenida.

En los tres espectros se aprecian bandas en laregión entre 950–890 cm-1 asociadas a las unionesβ presentes tanto en la celulosa como en lamanosa. Para la muestra T, existe una fuertevibración en 872 cm-1 que puede estar ligadadirectamenete a la presencia de unidades D-manopironosa, la cual ha sido observada en otrasfuentes de manosa de origen vegetal (Navarini etal. 1999). En tanto que las vibraciones observadasen 1739 y 1251 cm-1, y asociadas con gruposcarboxílicos indican la presencia de componentestipo glucoxilanos.

Respecto a la estructura cristalina, en la Fig. 2 se presentan los difractogramas de algunas de lasmuestras aisladas. En el caso de la muestra R,éste se encuentran dominados por la estructuratípica de la celulosa tipo I debido a la presenciadel ángulo a 22º. En la muestra tipo B, noincluida, se observa el mismo pico aunque másancho, resultado que guarda relación con el nivelde cristalización, tal como lo sugieren otrosautores como Watanabe et al. (1998).

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

T

B

R

Número de onda (cm-1)

T r a n s m

i t a n c i a

Fig. 1. Espectros infrarrojos de los polisacáridosaislados de muestras de haces fibrosos de raquis(R), cultivos bacteriales (B) y tagua (T).

10 20 30 40

R

T

I n

t e n s i d a d ( u n i d a d a r b i t r a r i a )

2θ (°)

Fig. 2. Difractogramas de los polisacáridosaislados de muestras de haces fibrosos de raquis(R) y tagua (T).

En el caso de la muestra T, el difractogramaindican claramente la presencia de cristales de

manosa con un alto grado de cristalinidad, así sederiva de la presencia de los ángulos a 16, 18, 20,24, 25 y 29, y que son comparables a losobservados por otros autores para este tipo dehemicelulosa (Kapoor et al., 1995, Hori et al.,2007). A su vez este resultado confirma locomentado antes en los resultados de laespectroscopía infrarroja de esta muestra. Asímismo, en este caso no se aprecia presencia decelulosa cristalina combinada con esta muestra.Estos ángulos indican que el tipo de celda unitaria




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observada corresponde a una de tipo ortorómbica(Hori et al., 2007).

El comportamiento térmico de las muestras de polisacáridos aislados se presenta en la Fig. 3. Lamuestra B, contiene una región de degradaciónadicional cuando se compara con las demás, en

especial con la otra muestra de celulosa, en estecaso vegetal denominada R. Es posible que estaregión de degradación se encuentre asociada concomponentes no celulósicas tales como pectinas, proteínas, ácidos nucleicos y demás restos demembrana de las células bacteriales, siendoalguno de estos componentes observado antes enlos ensayos de espectroscopia infrarroja (Georgeet al., 2005). Estas sustancias pueden ser removidas mediante la utilización de tratamientosquímicos que mejoren la pureza de la muestra decelulosa. La primera región de degradación que se

observa para todas las muestras se relaciona conla tendencia a la captación de humedad, tal comose observo antes en los resultados obtenidosusando espectroscopia infrarroja. Respecto a latercera zona de pérdida en peso, para las muestrasR y B corresponde a la degradación de lacelulosa. Superada esta región, la muestra Bcontiene un mayor nivel de residuos, esto puedeestar ligado a impurezas de carácter mineralasociados al sustrato empleado para el cultivo yque no fueron removidos por el proceso delimpieza de la muestra.

20

40

60

80

100

200 400 600 800

P é r d i d a e n p e s o ( % )

Temperatura (°C)

B

R

T

Fig. 3. Análisis térmico de muestras de hacesfibrosos de raquis (R), cultivos bacteriales (B) ytagua (T).

Para la muestra T, la máxima región dedegradación se encuentra asociada a la presenciade la manosa, siendo la temperatura máxima 291ºC. La influencia de los componentes diferentes ala manosa presentes en la muestra y comentados

antes tiene baja influencia en la degradación de lamuestra. Se aprecia también que aún a 800 °C, la pérdida de peso no es total, sugiriendo la presencia de impurezas, posiblemente sales.

En la micrografia por AFM de la Fig. 4 seobservan microfibrillas de celulosa aisladas de

raquis de banano. En este caso se aprecian tantomicrofibrillas individuales con diámetros promedios entre 5 y 10 nm así como haces condiámetros entre 50 y 60 nm. La existencia de losmismos, se encuentra asociada con lahemicelulosa residual presente en la muestra, talcomo se comentó antes. Haces fibrosos condiámetros del orden de 160 nm son observados enla micrografía obtenida mediante microscopíaSEM para la celulosa procedente de los cultivos bacteriales. Es posible que a su vez estos seencuentren conformados por microfibrillas de

menor tamaño, y que para obtenerlas es necesarioemplear tratamientos químicos o mecánicosadicionales.

Fig. 4. Micrografía AFM de muestras de celulosaaislada de raquis.

Fig. 5. Micrografía SEM de muestras de celulosaaislada de cultivos bacteriales.




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Adicionalmente, sobre la superficie de los hacesde microfibrillas de celulosa de la muestra B, ver Fig. 5, se aprecian sustancias con forma pocodefinida, a modo de recubrimiento, que serelacionan con los componentes no celulósicoscomentados antes.

4. CONCLUSIONES

En el presente trabajo dos tipos de polisacáridos,la celulosa y la manosa, obtenidos a partir de trestipos diferentes de fuentes naturales han sidoestudiados. Los diferentes resultados indican quegracias a su estructura y características, estos polisacáridos pueden ser empleados para eldesarrollo de múltiples tipos de materiales biensea desde su desempeño térmico o mediante elaprovechamiento de sus estructuras cristalinas.

De otro lado, tratamientos químicos principalmente, deben ser considerados con mirasa incrementar la pureza de las muestras, enespecial a las obtenidas a partir de la actividadextracelular del Acetobacter xylium spp, en elcaso de la celulosa o de las semillas dePhytelephas Macrocarpa Palmae para la manosa.

AGRADECIMIENTO

Los autores expresan su agradecimiento al CIDI-

UPB y Colciencias por el apoyo financiero aldesarrollo de los proyectos de investigación cuyosresultados se presentan en este trabajo.Igualmente a los estudiantes del programa deIngeniería Mecánica por su motivación y esfuerzo para el desarrollo del mismo.

REFERENCIAS

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SOBRE LOS AUTORES

Jorge Saldarriaga

Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica dela Universidad Pontificia Bolivariana, Magíster en Ingeniería Énfasis en Nuevos Materiales. Áreade interés investigativo: polímeros y materialescompuestos de matriz polimérica.

Robin Zuluaga

Ingeniero Agroindustrial de la UniversidadPontificia Bolivariana, estudiante de doctorado enIngeniería y miembro del Grupo de Investigaciónsobre Nuevos Materiales de la mismaUniversidad. Área de interés investigativo:materiales compuestos a partir de fuentes

naturales.Catalina Álvarez

Ingeniera Agroindustrial de la UniversidadPontificia Bolivariana, estudiante de doctorado enIngeniería y miembro del Grupo de Investigaciónsobre Nuevos Materiales de la mismaUniversidad. Área de interés investigativo:materiales compuestos a partir de fuentesnaturales.

Piedad Gañán

Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica dela Universidad Pontificia Bolivariana yInvestigador del Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales de la misma Universidad.Doctor en Ingeniería de Materiales. Área deinterés investigativo: polímeros y materialescompuestos de matriz polimérica.

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