Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.

Metabonomic studies to assess beer quality and stability

The work reported in this thesis aimed at applying the methodology known as metabonomics to the detailed study of a particular type of beer and its quality control, with basis on the use of multivariate analysis (MVA) to extract meaningful information from given analytical data sets. In Chapter 1, a detailed description of beer is given considering the brewing process, main characteristics and typical composition of beer, beer stability and the commonly used analytical techniques for beer analysis. The fundamentals of the analytical methods employed here, namely nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, gas-chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and mid-infrared (MIR) spectroscopy, together with the description of the metabonomics methodology are described shortly in Chapter 2. In Chapter 3, the application of high resolution NMR to characterize the chemical composition of a lager beer is described. The 1H NMR spectrum obtained by direct analysis of beer show a high degree of complexity, confirming the great potential of NMR spectroscopy for the detection of a wide variety of families of compounds, in a single run. Spectral assignment was carried out by 2D NMR, resulting in the identification of about 40 compounds, including alcohols, amino acids, organic acids, nucleosides and sugars. In a second part of Chapter 3, the compositional variability of beer was assessed. For that purpose, metabonomics was applied to 1H NMR data (NMR/MVA) to evaluate beer variability between beers from the same brand (lager), produced nationally but differing in brewing site and date of production. Differences between brewing sites and/or dates were observed, reflecting compositional differences related to particular processing steps, including mashing, fermentation and maturation. Chapter 4 describes the quantification of organic acids in beer by NMR, using different quantitative methods: direct integration of NMR signals (vs. internal reference or vs. an external electronic reference, ERETIC method) and by quantitative statistical methods (using the partial least squares (PLS) regression) were developed and compared. PLS1 regression models were built using different quantitative methods as reference: capillary electrophoresis with direct and indirect detection and enzymatic essays. It was found that NMR integration results generally agree with those obtained by the best performance PLS models, although some overestimation for malic and pyruvic acids and an apparent underestimation for citric acid were observed. Finally, Chapter 5 describes metabonomic studies performed to better understand the forced aging (18 days, at 45 ºC) beer process. The aging process of lager beer was followed by i) NMR, ii) GC-MS, and iii) MIR spectroscopy. MVA methods of each analytical data set revealed clear separation between different aging days for both NMR and GC-MS data, enabling the identification of compounds closely related with the aging process: 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), organic acids, γ-amino butyric acid (GABA), proline and the ratio linear/branched dextrins (NMR domain) and 5-HMF, furfural, diethyl succinate and phenylacetaldehyde (known aging markers) and, for the first time, 2,3-dihydro-3,5-dihydroxy-6-methyl-4(H)-pyran-4-one xii (DDMP) and maltoxazine (by GC-MS domain). For MIR/MVA, no aging trend could be measured, the results reflecting the need of further experimental optimizations. Data correlation between NMR and GC-MS data was performed by outer product analysis (OPA) and statistical heterospectroscopy (SHY) methodologies, enabling the identification of further compounds (11 compounds, 5 of each are still unassigned) highly related with the aging process. Data correlation between sensory characteristics and NMR and GC-MS was also assessed through PLS1 regression models using the sensory response as reference. The results obtained showed good relationships between analytical data response and sensory response, particularly for the aromatic region of the NMR spectra and for GC-MS data (r > 0.89). However, the prediction power of all built PLS1 regression models was relatively low, possibly reflecting the low number of samples/tasters employed, an aspect to improve in future studies.

Rastreio do cancro da mama no concelho de Aveiro: do estudo dos fatores determinantes da adesão às propostas educativas emergentes

O cancro da mama feminino pela sua magnitude merece uma especial atenção ao nível das políticas de saúde. Emerge, pois uma visão abrangente que, por um lado, deve atentar para o encargo que esta representa para qualquer sistema de saúde, pelos custos que acarreta, como também, para a qualidade de vida das mulheres portadoras da mesma. Desta forma, a Liga Portuguesa Contra o Cancro (LPCC) tem desenvolvido, em colaboração com as Administrações Regionais de Saúde (ARS), o Programa de Rastreio do Cancro da Mama (PRCM), o qual apresenta, no Concelho de Aveiro, taxas de adesão na ordem dos 50%, ainda distantes dos 70%, objetivo recomendado pelas guidelines da Comissão Europeia. A não adesão tem sido considerada como um dos principais problemas do sistema de saúde, tanto pelas repercussões ao nível de ganhos em saúde, como também na qualidade de vida e na satisfação dos pacientes com os cuidados de saúde, constituindo-se como um fenómeno multifatorial e multidimensional. É neste sentido que o presente trabalho se propõe identificar os fatores, de cariz individual e do meio envolvente, determinantes da adesão ao PRCM, numa amostra de mulheres residentes no Concelho de Aveiro, com idades compreendidas entre os 45 e os 69 anos e, a partir dos resultados emergentes, propor estratégias de educação em saúde. Como procedimentos metodológicos e, numa primeira fase, entre outubro 2009 e maio 2010 foi aplicado um survey, o qual foi complementado com notas de campo dos entrevistadores a uma amostra não aleatória de 805 mulheres, em dois contextos distintos: no centro de saúde às aderentes à mamografia e, no domicílio, às não aderentes. Numa segunda fase, realizamos duas sessões de Focus Group (FG), num total de 12 elementos, um grupo heterogéneo com enfermeiros, médicos e utentes, e um outro grupo homogéneo, apenas com profissionais de saúde. O tratamento dos dados do survey foi efetuado através de procedimentos estatísticos, com utilização do SPSS® versão 17 e realizadas análises bivariadas (qui-quadrado) e multivariadas (discriminação de função e árvore de decisão através do algoritmo Chi-squared Automatic Interaction Detector) com o intuito de determinar as diferenças entre os grupos e predizer as variáveis exógenas. No que diz respeito a indicadores sociodemográficos, os resultados mostram que aderem mais, as mulheres com idades <50 anos e ≥ 56 anos, as que vivem em localidades urbanas, as trabalhadoras não qualificadas e as reformadas. As que aderem menos ao PRCM têm idades compreendidas entre os 50-55 anos, vivem nas zonas periurbanas, são licenciadas, apresentam categoria profissional superior ou estão desempregadas. Em relação às restantes variáveis exógenas, aderem ao PRCM, as mulheres que apresentam um Bom Perfil de Conhecimentos (46.6%), enquanto as não aderentes apresentam um Fraco Perfil de Conhecimentos (50.6%), sendo esta relação estatisticamente significativa (X2= 10.260; p=0.006).Cerca de 59% das mulheres aderentes realiza o seu rastreio de forma concordante com as orientações programáticas presentes no PRCM, comparativamente com 41.1% das mulheres que não o faz, verificando-se uma relação de dependência bastante significativa entre as variáveis Perfil de Comportamentos e adesão(X2= 348.193; p=0.000). Apesar de não existir dependência estatisticamente significativa entre as Motivações e a adesão ao PRCM (X2= 0.199; p=0.656), se analisarmos particularmente, os motivos de adesão, algumas inquiridas demonstram preocupação, tanto na deteção precoce da doença, como na hereditariedade. Por outro lado, os motivos de não adesão, também denotam aspetos de nível pessoal como o desleixo com a saúde, o desconhecimento e o esquecimento da marcação. As mulheres que revelam Boa Acessibilidade aos Cuidados de Saúde Primários e um Bom Atendimento dos Prestadores de Cuidados aderem mais ao PRCM, comparativamente com as inquiridas que relatam Fraca Acessibilidade e Atendimento, não aderindo. A partir dos resultados da análise multivariada podemos inferir que as variáveis exógenas estudadas possuem um poder discriminante significativo, sendo que, o Perfil de Comportamentos é a variável que apresenta maior grau de diferenciação entre os grupos das aderentes e não aderentes. Como variáveis explicativas resultantes da árvore de decisão CHAID, permaneceram, o Perfil de Comportamentos (concordantes e não concordantes com as guidelines), os grupos etários (<50 anos, 50-55anos e ≥56anos) e o Atendimento dos prestadores de cuidados de saúde. As mulheres mais novas (<50 anos) com Perfil de comportamentos «concordantes» com as guidelines são as que aderem mais, comparativamente com os outros grupos etários. Por outro lado, as não aderentes necessitam de um «bom» atendimento dos prestadores de cuidados para se tornarem aderentes ao PRCM. Tanto as notas de campo, como a discussão dos FG foram sujeitas a análise de conteúdo segundo as categorias em estudo obtidas na primeira fase e os relatos mostram a importância de fatores de ordem individual e do meio envolvente. No que se refere a aspetos psicossociais, destaca-se a importância das crenças e como fatores ambientais menos facilitadores para a adesão apontam a falta de transportes, a falta de tempo das pessoas e a oferta de recursos, principalmente se existirem radiologistas privados como alternativa ao PRCM. Tal como na primeira fase do estudo, uma das motivações para a adesão é a recomendação dos profissionais de saúde para o PRCM, bem como a marcação de consultas pela enfermeira, que pode ser uma oportunidade de contacto para a sensibilização. Os hábitos de vigilância de saúde, a perceção positiva acerca dos programas de saúde no geral, o acesso à informação pertinente sobre o PRCM e a operacionalização deste no terreno parecem ser fatores determinantes segundo a opinião dos elementos dos FG. O tipo e a regularidade no atendimento por parte dos profissionais de saúde, a relação entre profissional de saúde/paciente, a personalização das intervenções educativas, a divulgação que estes fazem do PRCM junto das suas pacientes, bem como, a organização do modelos de cuidados de saúde das unidades de saúde e a forma como os profissionais se envolvem e tomam a responsabilização por um programa desta natureza são fatores condicionantes da adesão. Se atendermos aos resultados deste estudo, verificamos um envolvimento de fatores que integram múltiplos níveis de intervenção, sendo um desafio para as equipas de saúde que pretendam intervir no âmbito do programa de rastreio do cancro da mama. Com efeito, os resultados também apontam para a combinação de múltiplas estratégias que são transversais a vários programas de promoção da saúde, assumindo, desta forma, uma perspetiva multidimensional e dinâmica que visa, essencialmente, a construção social da saúde e do bem-estar (i.e. responsabilização do cidadão pela sua própria saúde e o seu empowerment).

Development of infrared spectroscopy for assessing bacterial quality in foods

Rapid and specific detection of foodborne bacteria that can cause food spoilage or illness associated to its consumption is an increasingly important task in food industry. Bacterial detection, identification, and classification are generally performed using traditional methods based on biochemical or serological tests and the molecular methods based on DNA or RNA fingerprints. However, these methodologies are expensive, time consuming and laborious. Infrared spectroscopy is a reliable, rapid, and economic technique which could be explored as a tool for bacterial analysis in the food industry. In this thesis it was evaluated the potential of IR spectroscopy to study the bacterial quality of foods. In Chapter 2, it was developed a calibration model that successfully allowed to predict the bacterial concentration of naturally contaminated cooked ham samples kept at refrigeration temperature during 8 days. In this part, it was developed the methodology that allowed the best reproducibility of spectra from bacteria colonies with minimal sample preparation, which was used in the subsequent work. Several attempts trying different resolutions and number of scans in the IR were made. A spectral resolution of 4 cm-1, with 32 scans were the settings that allowed the best results. Subsequently, in Chapter 3, it was made an attempt to identify 22 different foodborne bacterial genera/species using IR spectroscopy coupled with multivariate analysis. The principal component analysis, used as an exploratory technique, allowed to form distinct groups, each one corresponding to a different genus, in most of the cases. Then, a hierarchical cluster analysis was performed to further analyse the group formation and the possibility of distinction between species of the same bacterial genus. It was observed that IR spectroscopy not only is suitable to the distinction of the different genera, but also to differentiate species of the same genus, with the simultaneous use of principal component analysis and cluster analysis techniques. The utilization of IR spectroscopy and multivariate statistical analysis were also investigated in Chapter 4, in order to confirm the presence of Listeria monocytogenes and Salmonella spp. isolated from contaminated foods, after growth in selective medium. This would allow to substitute the traditional biochemical and serological methods that are used to confirm these pathogens and that delay the obtainment of the results up to 2 days. The obtained results allowed the distinction of 3 different Listeria species and the distinction of Salmonella spp. from other bacteria that can be mistaken with them. Finally, in chapter 5, high pressure processing, an emerging methodology that permits to produce microbiologically safe foods and extend their shelf-life, was applied to 12 foodborne bacteria to determine their resistance and the effects of pressure in cells. A treatment of 300 MPa, during 15 minutes at room temperature was applied. Gram-negative bacteria were inactivated to undetectable levels and Gram-positive showed different resistances. Bacillus cereus and Staphylococcus aureus decreased only 2 logs and Listeria innocua decreased about 5 logs. IR spectroscopy was performed in bacterial colonies before and after HPP in order to investigate the alterations of the cellular compounds. It was found that high pressure alters bands assigned to some cellular components as proteins, lipids, oligopolysaccharides, phosphate groups from the cell wall and nucleic acids, suggesting disruption of the cell envelopes. In this work, bacterial quantification and classification, as well as assessment of cellular compounds modification with high pressure processing were successfully performed. Taking this into account, it was showed that IR spectroscopy is a very promising technique to analyse bacteria in a simple and inexpensive manner.

Padrões territoriais das dificuldades manifestadas pela população com 65 ou mais anos

Objetivos: Numa sociedade caracterizada pelo envelhecimento populacional é de suma importância a identificação de padrões territoriais que permitam o desenho de políticas de bem-estar mais adequadas para cada território. Para tal, é necessário analisar a heterogeneidade da perceção das dificuldades nas diversas regiões. Este estudo pretende analisar as dificuldades das pessoas com 65 ou mais anos com vista a encontrar algumas diferenças territoriais com base no grupo etário, no tipo e grau de dificuldade, nos rendimentos e nas habilitações. Metodologia: Trata-se de um estudo exploratório que analisa as dificuldades percecionadas pelas pessoas com 65 ou mais anos, tendo por base os dados disponibilizados pelo INE sobre o recenseamento populacional de 2011. Recorre-se à análise multivariada (análise fatorial de componentes principais e análise de clusters) e à análise bivariada de forma a obter os resultados da investigação. Resultados: Os principais resultados apontam para: i) existência de diferenças quanto à distribuição no território da perceção das dificuldades; ii) a perceção das dificuldades, da incapacidade e da dimensão das dificuldades por parte do grupo etário dos 65 ou mais anos segue um padrão territorial distinto da população em geral; iii) a perceção das dificuldades e a perceção da incapacidade no grupo etário dos 65 ou mais anos apresentam uma mancha no território diferente do padrão do envelhecimento; iv) a incapacidade auditiva e a incapacidade visual embora com um padrão territorial diferente, agregam no mesmo fator a população geral e o grupo etário dos 65 ou mais anos; v) do ponto de vista territorial é possível distinguir cinco clusters quanto à perceção das dificuldades da população portuguesa; vi) os rendimentos e as habilitações contribuem para a diferenciação dos clusters identificados. Discussão: Os resultados apresentados apoiam a necessidade de reflexão e de pesquisa no âmbito do mapeamento das dificuldades, na medida em que são um importante mecanismo de conhecimento da realidade intra-regional, permitindo a tomada de decisão.