Synthesis and characterisation of novel superficially porous silica based stationary phases for use in liquid chromatography

The concept of pellicular particles was suggested by Horváth and Lipsky over fifty years ago. The reasoning behind the idea of these particles was to improve column efficiency by shortening the pathways analyte molecules can travel, therefore reducing the effect of the A and C terms. Several types of shell particles were successfully marketed around this time, however with the introduction of high quality fully porous silica under 10 μm, shell particles faded into the background. In recent years a new generation of core shell particles have become popular within the separation science community. These particles allow fast and efficient separations that can be carried out on conventional HPLC systems. Chapter 1 of this thesis introduces the chemistry of chromatographic stationary phases, with an emphasis on silica bonded phases, particularly focusing on the current state of technology in this area. The main focus is on superficially porous silica particles as a support material for liquid chromatography. A summary of the history and development of these particles over the past few decades is explored, along with current methods of synthesis of shell particles. While commercial shell particles have a rough outer surface, Chapter 2 focuses on the novel approach to growth of smooth surface superficially porous particles in a step-by-step manner. From the Stöber methodology to the seeded growth technique, and finally to the layer-bylayer growth of the porous shell. The superficially porous particles generated in this work have an overall diameter of 2.6 μm with a 350 nm porous shell; these silica particles were characterised using SEM, TEM and BET analysis. The uniform spherical nature of the particles along with their surface area, pore size and particle size distribution are examined in this chapter. I discovered that these smooth surface shell particles can be synthesised to give comparable surface area and pore size in comparison to commercial brands. Chapter 3 deals with the bonding of the particles prepared in Chapter 2 with C18 functionality; one with a narrow and one with a wide particle size distribution. This chapter examines the chromatographic and kinetic performance of these silica stationary phases, and compares them to a commercial superficially porous silica phase with a rough outer surface. I found that the particle size distribution does not seem to be the major contributor to the improvement in efficiency. The surface morphology of the particles appears to play an important role in the packing process of these particles and influences the Van Deemter effects. Chapter 4 focuses on the functionalisation of 2.6 μm smooth surface superficially porous particles with a variety of fluorinated and phenyl silanes. The same processes were carried out on 3.0 μm fully porous silica particles to provide a comparison. All phases were accessed using elemental analysis, thermogravimetric analysis, nitrogen sorption analysis and chromatographically evaluated using the Neue test. I observed comparable results for the 2.6 μm shell pentaflurophenyl propyl silica when compared to 3.0 μm fully porous silica. Chapter 5 moves towards nano-particles, with the synthesis of sub-1 μm superficially porous particles, their characterisation and use in chromatography. The particles prepared are 750 nm in total with a 100 nm shell. All reactions and testing carried out on these 750 nm core shell particles are also carried out on 1.5 μm fully porous particles in order to give a comparative result. The 750 nm core shell particles can be synthesised quickly and are very uniform. The main drawback in their use for HPLC is the system itself due to the backpressure experienced using sub – 1 μm particles. The synthesis of modified Stöber particles is also examined in this chapter with a range of non-porous silica and shell silica from 70 nm – 750 nm being tested for use on a Langmuir – Blodgett system. These smooth surface shell particles have only been in existence since 2009. The results displayed in this thesis demonstrate how much potential smooth surface shell particles have provided more in-depth optimisation is carried out. The results on packing studies reported in this thesis aims to be a starting point for a more sophisticated methodology, which in turn can lead to greater chromatographic improvements.

Modification of chitin properties for enzymatic deacetylation

Chitins produced via a conventional chemical route as well as from a new biological process were modified to increase the efficiency of enzymatic deacetylation reactions for the production of novel biological chitosan. These modified chitins were reacted for 24h with extracellular fungal enzymes from Colletotrichum lindemuthianum. The chemical and physical properties of the various substrates were analysed and their properties related to the effectiveness in the deacetylation reaction. Modifications of the chitins affected the degree of deacetylation with varied effects. Without further modification to reduce crystallinity and to open up the solid substrate structure, the chitins were found to be poor substrates for the heterogeneous solid-liquid enzymatic catalysis. It was found that the solvent and drying method used in modifying the chitins had significant impact on the final efficiency of the enzymatic deacetylation reaction. The most successful modifications through freeze drying of a colloidal chitin suspension increased the degree of enzymatic deacetylation by 20 fold. These processes reduce the crystallinity of the chitin making it easier for the enzymes to access their internal structure. X-ray diffraction, scanning electron microscopy, thermogravimetric analysis, and BET isotherm analysis are employed to characterise the modified chitins to ascertain the degree of crystallinity, porous structure, surface area, and morphology.

Ionic liquids as solvent and solvent additives for the synthesis of sol-gel materials

The ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium chloride was used as a drying control chemical additive in the synthesis of silica sol-gel materials with and without methanol as a co-solvent. The resulting gels were characterized by using thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, infrared spectroscopy and water sorption kinetics. Calcined gels were analyzed using scanning electron microscopy and nitrogen adsorption isotherms for surface area and pore volume determination. Non-calcined gels were monolithic and showed general cloudiness with lesser degrees observed at higher IL volumes. Calcinations resulted in the formation of powders with increased available surface area as the amount of IL volume was increased. This is consistent with an increase in respective pore volume but a general decrease in average pore size. The resulting materials exhibited conventional structural microdomains, in contrast to periodicity reported when other ionic liquids were used as templates.

In search of ionic liquids incorporating azolate anions

Twenty-eight novel salts with tetramethyl-, tetraethyl-, and tetrabutylammonium and 1-butyl-3-methylimidazolium cations paired with 3,5-dinitro-1,2,4-triazolate, 4-nitro-1,2,3-triazolate, 2,4-dinitroimidazolate, 4,5-dinitroimidazolate, 4,5-dicyanoimidazolate, 4-nitroimidazolate, and tetrazolate anions have been prepared and characterized by using differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), and single-crystal Xray crystallography. The effects of cation and anion type and structure on the physicochemical properties of the resulting salts, including several ionic liquids, have been examined and discussed. Ionic liquids (defined as having m.p. <100 degrees C) were obtained with all combinations of the 1-butyl-3-methylimidazolium cation ([C(4)mim](+)) and the heterocyclic azolate anions studied, and with several combinations of tetraethyl or tetrabutylammonium cations and the azolate anions. The [C(4)mim](+) azolates were liquid at room temperature exhibiting large liquid ranges and forming glasses on cooling with glasstransition temperatures in the range of -53 to -82 degrees C (except for the 3,5-dinitro-1,2,4-triazolate salt with m.p. 33 degrees C). Six crystal structures of the corresponding tetraalkylammonium salts were determined and the effects of changes to the cations and anions on the packing of the structure have been investigated.

Carbonation and pH in Mortars Manufactured with Supplementary Cementitious Materials

An investigation of carbonation in mortars and methods of measuring the degree of carbonation and pH change is presented. The mortars were manufactured using ordinary portland cement, pulverized fuel ash, ground granulated blast-furnace slag, metakaolin, and microsilica. The mortars were exposed to a carbon dioxide-rich environment 5% CO2 to accelerate carbonation. The resulting carbonation was measured using phenolphthalein indicator and thermogravimetric analysis. The pH of the pore fluid and a powdered sample, extracted from the mortar, was measured to give an accurate indication of the actual pH of the concrete. The pH of the extracted powder mortar sample was found to be similar to the pH of the pore fluid expressed from the mortars. The thermogravimetric analysis suggested two distinct regions of transport of CO2 within mortar, a surface region where convection was prevalent and a deeper region where diffusion was dominant. The use of microsilica has been shown to decrease the rate of carbonation, while pulverized fuel ash and ground granulated blast-furnace slag have a detrimental effect on carbonation. Metakaolin has little effect on carbonation.

A study of the relationship between process conditions and mechanical strength of mineralized red algae in the preparation of a marine-derived bone void filler

Bone void fillers that can enhance biological function to augment skeletal repair have significant therapeutic potential in bone replacement surgery. This work focuses on the development of a unique microporous (0.5-10 mu m) marine-derived calcium phosphate bioceramic granule. It was prepared fro Corallina officinalis, a mineralized red alga, using a novel manufacturing process. This involved thermal processing, followed by a low pressure-temperature chemical synthesis reaction. The study found that the ability to maintain the unique algal morphology was dependent on the thermal processing conditions. This study investigates the effect of thermal heat treatment on the physiochemical properties of the alga. Thermogravimetric analysis was used to monitor its thermal decomposition. The resultant thermograms indicated the presence of a residual organic phase at temperatures below 500 degrees C and an irreversible solid-state phase transition from mg-rich-calcite to calcium oxide at temperatures over 850 degrees C. Algae and synthetic calcite were evaluated following heat treatment in an air-circulating furance at temperatures ranging from 400 to 800 degrees C. The highest levels of mass loss occurred between 400-500 degrees C and 700-800 degrees C, which were attributed to the organic and carbonate decomposition respectively. The changes in mechanical strength were quantified using a simple mechanical test, which measured the bulk compressive strength of the algae. The mechanical test used may provide a useful evaluation of the compressive properties of similar bone void fillers that are in granular form. The study concluded that soak temperatures in the range of 600 to 700 degrees C provided the optimum physiochemical properties as a precursor to conversion to hydroxyapatite (HA). At these temperatures, a partial phase transition to calcium oxide occurred and the original skeletal morphology of the alga remained intact.

Facile in situ synthesis of nanofluids based on ionic liquids and copper oxide clusters and nanoparticles

Two stable nanofluids comprising of mixed valent copper(_I,_II) oxide clusters (<1 nm) suspended in 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, [C(₄)mim][OAc], and copper(_II) oxide nanoparticles (<50 nm) suspended in trioctyl(dodecyl) phosphonium acetate, [P-₈₈₈₁₂][OAc], were synthesised in a facile one-pot reaction from solutions of copper(_II) acetate hydrate in the corresponding ionic liquids. Formation of the nanostructures was studied using ¹³C NMR spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC). From a solution of Cu(OAc)₂ in 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, [C₂mim][OAc], crystals were obtained that revealed the structure of [C₂mim][Cu₃(OAc)₅(OH)₂(H₂O)]center dot H₂O, indicating the formation of copper hydroxo-clusters in the course of the reaction. Synthesised nanostructures were studied using transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Physical properties of the prepared IL-nanofluids were examined using IR and UV-VIS spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and densitometry. 

Enhancement of the stability of microporous silica films in non-aqueous solvents at elevated temperature

The effect of Al incorporation and pH adjustment during hydrolysis of the silica precursor on the thermal and structural stability of ordered microporous silica films with a 2D structure is presented. The structural stability of the films was determined from a combination of LA XRD/TEM data with porosity data obtained from ethanol adsorption isotherms. Thermogravimetric analysis and MR data were used to determine the template removal and the thermal stability. Stability of aluminium incorporated silica films has further been examined in several organic solvents with different polarity. A solvent with a higher polarity interacts more strongly with the films; the long-order structure disappeared after exposure to polar solvents. After exposure to non-polar solvents, the pore size uniformity was retained after 48 h. The samples with an Al/Si ratio of 0.007 showed the smallest d-spacing shift after exposure to hexane. The stability was further tested in the hydrogenation of phenylacetylene performed in a batch reactor over 1 wt.% Pd/Si(Al)O-2/Si (Al/Si = 0.007) films at 30 degrees C and 10 bar H-2 with hexane as solvent. No deactivation was observed in two subsequent hydrogenation runs. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Chemical and mechanical stability of sodium sulfate activated slag after exposure to elevated temperature

The chemical and mechanical stability of slag activated with two different concentrations of sodium sulfate (Na₂SO₄) after exposure to elevated temperatures ranging from 200 to 800 °C with an increment of 200 °C has been examined. Compressive strengths and pH of the hardened pastes before and after the exposure were determined. The various decomposition phases formed were identified using X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and scanning electron microscopy. The results indicated that Na₂SO₄ activated slag has a better resistance to the degradation caused by exposure to elevated temperature up to 600 °C than Portland cement system as its relative strengths are superior. The finer slag and higher Na₂SO₄ concentration gave better temperature resistance. Whilst the pH of the hardened pastes decreased with an increase in temperature, it still maintained a sufficiently high pH for the protection of reinforcing bar against corrosion.

Inhibitory Effect of Phosphonium-Based Ionic Liquids on Coal Oxidation

To develop a chemical inhibitor that can efficiently suppress coal oxidation, nine tetraalkylphosphonium-based ionic liquids (ILs) and one imidazolium-based IL [1-allyl-3-methylimidazolium chloride ([AMIm]Cl)] were examined as additives. These ILs were used to treat and investigate the inhibitory effect on the oxidation activity and the structure of lignite coal. Characterization using thermogravimetric analysis showed that phosphonium-based ILs are able to inhibit coal oxidation up to 400 degrees C with the tributylethylphosphonium diethylphosphate ([P-4,P-4,P-4,P-2][DEP]) found to be the most effective. In contrast to the tetraalkylphosphonium-based ILs, inhibition using [AMIm]Cl was only found to be effective at temperatures below 250 degrees C, indicating that the tetraallcylphosphonium-based ILs may be more suitable for the future application of suppressing coal spontaneous combustion over a wide range of temperatures. Fourier transform infrared spectroscopic data showed that the various functional groups change in the coal following IL treatment, which are a decrease in the minerals and hydrogen bonds in all treated coals, while decreased aliphatic hydrocarbon and increased carbonyl bonds only appeared in some samples. During the oxidation of coal, the decomposition of aliphatic hydrocarbon groups is inhibited and the formation of carbonyl groups is delayed, so that the evolved gas concentration decreased, as shown by the temperature-programmed oxidation-mass spectrometry results. The deployment of the [P-4,P-4,P-4,P-2][ DEP] and tributylmethylphosphonium methylsulfate Its as additives also show good inhibitory effect on coal oxidation over the temperature range studied, and a relatively stronger interaction between [P-4,P-4,P-4,P-2] [DEP] and coal is demonstrated by the additive model.

Stability and hydration studies of Y-Doped Ba(Ce,Zr)O3

BaC_e1-xYxO_3-δ (BCY) and BaCe_0.8-yZr_yY_0.2O_3-δ (BCZY) compounds were synthesised via an aqueous sol-gel method and two different calcination processes were tested for BCZY synthesis. The highest hydration capacity was recorded for the compound that contained the highest Y-doping level (x=0.2). Further substitution of Ce⁴⁺ by Zr⁴⁺ enhanced the chemical stability especially for y≥0.2, although decreased proton conductivity. However, BaCe_0.6-0.2Zr_0.2Y_0.2O_2.9 (BCZ20Y20) which presented adequate water uptake and high chemical stability in presence of CO₂, was found to be the best candidate compound to be used in applications such as electrocatalytic CO₂ hydrogenation.

Effect of poly ethylene glycol on the mechanical and thermal properties of bioactive Poly (ε–caprolactone) melt extrudates for pharmaceutical applications

This paper investigates the effects of polyethylene glycol (PEG), on the mechanical and thermal properties of nalidixic acid/ploy ε-caprolactone (NA)/PCL blends prepared by hot melt extrusion. The blends were characterized by tensile and flexural analysis, dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. Experimental data indicated that the addition of NA caused loss of the tensile strength and toughness of PCL. Thermal analysis of the PCL showed that on addition of the thermally unstable NA, thermal degradation occurred early and was autocatalytic. However, the NA did benefit from the heat shielding provided by the PCL matrix resulting in more thermally stable NA particles. Results show that loading PEG in the PCL had a detrimental effect on the tensile strength and toughness of the blends, reducing them by 20-40%. The partial miscibility of the PCL-PEG system, causes an increase in Tg. While increases in the crystallinity is attributed to the plasticisation effect of PEG and the nucleation effect of NA. The average crystal size increased by 8% upon PEG addition.

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.

Matéria húmica de sapal: variações estruturais e complexação com o cobre

No presente trabalho foram estudadas as variações na composição, estrutura e comportamento das substâncias húmicas sedimentares (SHS), promovidas pela presença de duas espécies de plantas da família Chenopodiacea, presentes nos sapais da Ria de Aveiro: a Halimione portulacoides e a Arthrocnemum fruticosum. Para além das variações espaciais horizontais, foram investigadas as variações ao longo de um perfil de profundidades. Desta forma, para além da camada superficial (0-10 cm) de sedimentos com diferentes espécies de plantas e sem plantas, também foram investigadas camadas de sedimentos intermédia (20-25 cm) e profunda (45-50 cm). Para a extracção das SHS recorreu-se a uma pequena modificação do método proposto pela International Humic Substances Society (IHSS) para extracção e purificação de substâncias húmicas de solos. As SH extraídas foram caracterizadas através dos métodos espectroscópicos de absorção no ultravioleta visível, de fluorescência molecular síncrona, de absorção no infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR) e de RMN 13C em estado sólido. Estas técnicas de caracterização foram complementadas pela análise elementar e termogravimetria. Em algumas amostras, foram ainda determinados o conteúdo em alguns metais por ICP-AES e o conteúdo funcional ácido por titulações potenciométricas. Após exaustiva caracterização das amostras de AH, procedeu-se ao estudo da sua capacidade de complexação com o cobre, recorrendo a titulações monitorizadas por fluorescência molecular síncrona. Os resultados revelaram que a colonização de sedimentos por plantas vasculares superiores conduz a uma alteração profunda no ambiente sedimentar e que esta é reflectida na diagénese das substâncias húmicas sedimentares, tendo-se observado variações a uma pequena escala espacial. O estudo deste tipo de variações nunca tinha sido efectuado em trabalhos anteriores. Nos ácidos fúlvicos detectaram-se diferenças na composição e estrutura das amostras correspondentes às camadas superiores de sedimentos, reflectindo a presença de diferentes colonizações vegetais. Relativamente aos ácidos húmicos, foi possível classificá-los em dois tipos distintos. Os AH do tipo I correspondem aos sedimentos superficiais e intermédios dos locais com plantas. Neste tipo de AH verificou-se uma incorporação de polissacarídeos e estruturas peptídicas, em estados de humificação pouco desenvolvidos. Os AH do tipo II correspondem aos sedimentos mais profundos de todos os locais e aos intermédios do local sem plantas e caracterizam-se por um maior grau de humificação e polimerização, um maior conteúdo aromático e de estruturas conjugadas e um maior conteúdo de grupos carboxílicos. Essas diferenças estruturais conduzem a diferentes comportamentos ácido/base e de complexação com o cobre. Assim, os AH do tipo I, que apresentam sinais espectroscópicos mais baixos associados a grupos carboxílicos e fenólicos, têm menor conteúdo de grupos funcionais ácidos e menor capacidade de complexação com o cobre quando se consideram ligandos característicos de unidades aromáticas conjugadas. Relativamente aos valores de log K dos complexos de AHS com o cobre, as amostras representativas da camada superficial dos sedimentos com plantas apresentaram valores superiores aos das restantes amostras de AH estudadas, cujos valores de log K são similares entre si. Atendendo aos resultados de análise elementar e espectroscópica, este facto pode estar associado à presença de compostos de azoto não peptídicos. Quanto a outros ligandos para o cobre, nomeadamente os representativos de estruturas peptídicas contendo o aminoácido triptofano e estruturas aromáticas simples, não foi possível obter resultados conclusivos. Dado que os ácidos húmicos do tipo I demonstraram um maior conteúdo peptídico e menor conteúdo aromático, o estudo destes ligandos torna-se importante para compreender melhor o efeito da presença de plantas nos sedimentos de sapal sobre o comportamento dos ácidos húmicos sedimentares como ligandos para o cobre. Refere-se ainda que foram detectadas certas especificidades na variação das características do sedimento e das substâncias húmicas com a profundidade nos diferentes locais estudados que não podem ser explicadas meramente com a presença de material vegetal oriundo de diferentes espécies de plantas, requerendo um conhecimento mais aprofundado das comunidades bentónicas e do ambiente físico-químico do sedimento.

Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.