Are the differences in adulthood ill-health across the North-South divide and between Scotland and England also evident in early childhood health indicators?

Regional differences in adult morbidity and mortality within England (i.e., north-south divide or gradient) and between England and Scotland (i.e., Scottish effect) are only partly explained by adult levels of socioeconomic status or risk factors. This suggests variation in early life, and is supported by the fetal origins and life-course literature which posits that birth outcomes and subsequent, cumulative exposures influence adult health. However, no studies have examined the north-south gradient or Scottish effect in health in the earliest years of life. The aims of the study were: i) to examine health indicators in English and Scottish children at birth and age three to establish whether regional differences exist; and ii) to establish whether observed changes in child health at age three were attributable to birth and/or early life environmental exposures. Respondents included 10,639 biological Caucasian mothers of singleton children recruited to the Millennium Cohort Study (MCS) in the year 2000. Outcome variables were: gestational age and birth weight, and height, body mass index (BMI), and externalising behavioural problems at age three. Region/country was categorised as: South (reference), Midlands, North (England), and Scotland. Respondents provided information on child, maternal, household, and socioeconomic characteristics. Results indicated no significant regional variations for gestational age or birth weight. At age three there was a north-south gradient for externalising behaviour and a north-south divide in BMI which attenuated on adjustment. However, a north-south divide in height was not fully explained by adjustment. There was also evidence of a ‘Midlands effect’, with increased likelihood of shorter stature and behaviour problems. Results showed a Scottish effect for height and BMI in the unadjusted models, and height in the adjusted model, but a decreased likelihood of behaviour problems. Findings indicated no regional differences in health at birth, but some regional variation at age three supports the cumulative life-course model.

Targeting Trypsin-Like Proteases: A Mechanism to Restore Mucociliary Function in Cystic Fibrosis Airways

Dehydration of the airway surface liquid (ASL) and the resultant decline in function of the mucociliary escalator in cystic fibrosis airways is largely underpinned by the excessive flux of Na+ and water though ENaC. Proteolysis of the endogenous  and  subunits of epithelial sodium channels (ENaC) by channel activating proteases (CAPS) is the key regulatory mechanism for channel activation. Recent reports highlight that (1) CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) normally protects ENaC from the action of proteases and (2) a stark imbalance in proteases/protease inhibitor levels in CF airway cultures favour activation of normally inactive ENaC. The current study examines the potential therapeutic benefit of CAPS/ENaC inhibition in CF airways.
Our group has developed a panel of active-site directed affinity-based probes which target and inhibit trypsin-like proteases (potential CAPS); including the broad-spectrum inhibitor QUB-TL1. We have utilised this compound to interrogate the impact of trypsin-like protease inhibition on ENaC activity in differentiated primary airway epithelial cell cultures.
Electrophysiological data demonstrate QUB-TL1 selectively and irreversibly binds to extracellularly located trypsin-like proteases resulting in impaired ENaC-mediated Na+ transport. Visualisation of ENaC at the apical surface compartment of primary airway epithelial cells shows a large reduction in a low molecular weight (processed and active) form of ENaC, which was found to be abundant in untreated CF cultures. Consistent with the reduction in ENaC activity observed, QUB-TL1 treatment was subsequently shown to increase ASL height (performed in collaboration with Royal College of Surgeons in Ireland).
Our results are consistent with the hypothesis that targeting the CAPS-ENaC signalling axis may restore the depleted ASL seen in CF airways.

Untreated Mild Hyperglycemia During Pregnancy and Anthropometric Measures of Obesity in Offspring at Age 5-7 Years

OBJECTIVE: Obesity in the offspring of women with hyperglycemia during pregnancy has been reported, but the results are conflicting. This study examined the association of hyperglycemia during pregnancy and anthropometry in 5- to 7-year-old offspring whose mothers participated in the Hyperglycemia and Adverse Pregnancy Outcomes (HAPO) Study at the Belfast Centre.

RESEARCH DESIGN AND METHODS: Women in the HAPO study underwent a 75-g oral glucose tolerance test (OGTT) at approximately 28 weeks of gestation. Mothers and caregivers remained blinded to the results unless the fasting plasma glucose (FPG) concentration was >5.8 mmol/L or the 2-h plasma glucose (2hPG) concentration was >11.1 mmol/L. Offspring weight, height, and skin-fold thicknesses (triceps, subscapular, and suprailiac) were measured at age 5-7 years. Overweight, obesity, and extreme obesity were defined as a BMI z score ≥85th, ≥95th, and ≥99th percentile, respectively, based on the 1990 British Growth Standard.

RESULTS: Belfast HAPO offspring (n = 1,320, 82%) aged 5-7 years attended for follow-up. Using multiple regression, maternal FPG, 1h PG, and 2hPG did not show any relation to offspring BMI z score or offspring skin-fold sum independent of maternal BMI at OGTT and offspring birth weight z score. This lack of association with maternal glycemia persisted with the offspring BMI z score expressed as ≥85th, ≥95th, or 99th percentile, and the sum of skin folds expressed as ≥90th percentile specific for sex. The initially significant relation between FPG and all offspring adiposity measures was explained by maternal BMI at the OGTT.

CONCLUSIONS: After adjustment for maternal BMI at the OGTT, higher maternal FPG concentration during pregnancy (short of diabetes) is no longer a risk factor for obesity, as reflected by BMI and the sum of skin folds in offspring aged 5-7 years.

A review of rhizosphere carbon flow modelling

Rhizosphere processes play a key role in nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Plant rhizodeposits supply low-molecular weight carbon substrates to the soil microbial community, resulting in elevated levels of activity surrounding the root. Mechanistic compartmental models that aim to model carbon flux through the rhizosphere have been reviewed and areas of future research necessary to better calibrate model parameters have been identified. Incorporating the effect of variation in bacterial biomass physiology on carbon flux presents a considerable challenge to experimentalists and modellers alike due to the difficulties associated with differentiating dead from dormant cells. A number of molecular techniques that may help to distinguish between metabolic states of bacterial cells are presented. The calibration of growth, death and maintenance parameters in rhizosphere models is also discussed. A simple model of rhizosphere carbon flow has been constructed and a sensitivity analysis was carried out on the model to highlight which parameters were most influential when simulating carbon flux. It was observed that the parameters that most heavily influenced long-term carbon compartmentalisation in the rhizosphere were exudation rate and biomass yield. It was concluded that future efforts to simulate carbon flow in the rhizosphere should aim to increase ecological realism in model structure.

Ultrashort self-assembling peptidomimetic nanomaterials target resistant pathogenic infections

The impending and increasing threat of antimicrobial resistance has led to a greater focus into developing alternative therapies as substitutes for traditional antibiotics for the treatment of multi-drug resistant infections.1 Our group has developed a library of short, cost-effective, diphenylalanine-based peptides (X1-FF-X2) which selective eradicate (viability reduced >90% in 24 hours) the most resistant biofilm forms of a range of Gram-positive and negative pathogens including: methicillin resistant and sensitive Staphyloccoccus aureus and Staphyloccoccus epidermidis; Pseudomonas aeruginosa, Proteus mirabilis and Escherichia coli. They demonstrate a reduced cell cytotoxic profile (NCTC929 murine fibroblast) and limited haemolysis.2 Our molecules have the ability respond to subtle changes in pH, associated with bacterial infection, self-assembling to form β-sheet secondary structures and supramolecular hydrogels at low concentrations (~0.5%w/v). Conjugation of variety of aromatic-based drugs at the X1 position, including non-steroidal anti-inflammatories (NSAIDs), confer further pharmacological properties to the peptide motif enhancing their therapeutic potential. In vivo studies using waxworms (Galleria mellonella) provide promising preliminary results demonstrating the low toxicity and high antimicrobial activity of these low molecular weight gelators in animal models. This work shows biofunctional peptide-based nanomaterials hold great promise for future translation to patients as antimicrobial drug delivery and biomaterial platforms.3 [1] G. Laverty, S.P. Gorman and B.F. Gilmore. Int.J.Mol.Sci. 2011, 12, 6566-6596. [2] G. Laverty, A.P. McCloskey, B.F. Gilmore, D.S. Jones, J Zhou, B Xu. Biomacromolecules. 2014, 15, 9, 3429-3439. [3] A.P. McCloskey, B.F. Gilmore and G.Laverty. Pathogens. 2014, 3, 791-821.

Comparative Study of Different Methods for the Prediction of Drug− Polymer Solubility

In this study, a comparison of different methods to predict drug−polymer solubility was carried out on binary systems consisting of five model drugs (paracetamol, chloramphenicol, celecoxib, indomethacin, and felodipine) and polyvinylpyrrolidone/vinyl acetate copolymers (PVP/VA) of different monomer weight ratios. The drug−polymer solubility at 25 °C was predicted using the Flory−Huggins model, from data obtained at elevated temperature using thermal analysis methods based on the recrystallization of a supersaturated amorphous solid dispersion and two variations of the melting point depression method. These predictions were compared with the solubility in the low molecular weight liquid analogues of the PVP/VA copolymer (N-vinylpyrrolidone and vinyl acetate). The predicted solubilities at 25 °C varied considerably depending on the method used. However, the three thermal analysis methods ranked the predicted solubilities in the same order, except for the felodipine−PVP system. Furthermore, the magnitude of the predicted solubilities from the recrystallization method and melting point depression method correlated well with the estimates based on the solubility in the liquid analogues, which suggests that this method can be used as an initial screening tool if a liquid analogue is available. The learnings of this important comparative study provided general guidance for the selection of the most suitable method(s) for the screening of drug−polymer solubility.

Treatment of retinopathy of prematurity in Northern Ireland, 2000-2011: a population-based study

Purpose To evaluate the incidence of treatment-requiring retinopathy of prematurity (ROP) over a 12-year-period in Northern Ireland. Methods The medical records of all infants treated for ROP from January 2000 to December 2011were retrospectively reviewed and cross-referenced with the Neonatal Intensive Care Outcomes Research and Evaluation (NICORE) database. Results The Northern Ireland population data showed an increase in the number of live births from 2000 to 2011. The proportion of babies born with a birth weight <1501 g and/or <32 weeks’ gestational age remained constant (χ2 trend = 3.220, P = 0.0727), although the proportion of these babies who died prior to 42 weeks’ gestation decreased from 2000 to 2011 (P = 0.0196 using χ2 for trend = 5.445; P = 0.0354 using χ2 = 20.809). The prevalence of treatment-requiring ROP in these infants increased from 1.05% in 2000 to 5.78% in 2011 (P < 0.001 using χ2 trend = 16.309; P < 0.001 using χ2 = 31.378). Conclusions The present population-based study highlights that the incidence of treatment- requiring ROP is increasing in Northern Ireland. The increasing number of infants requiring treatment will need to be taken into consideration in the commissioning process for ROP services in Northern Ireland.

Cord blood adipokines, neonatal anthropometrics and postnatal growth in offspring of Hispanic and Native American women with diabetes mellitus

BACKGROUND: Offspring of women with diabetes mellitus (DM) during pregnancy have a risk of developing metabolic disease in adulthood greater than that conferred by genetics alone. The mechanisms responsible are unknown, but likely involve fetal exposure to the in utero milieu, including glucose and circulating adipokines. The purpose of this study was to assess the impact of maternal DM on fetal adipokines and anthropometry in infants of Hispanic and Native American women.

METHODS: We conducted a prospective study of offspring of mothers with normoglycemia (Con-O; n = 79) or type 2 or gestational DM (DM-O; n = 45) pregnancies. Infant anthropometrics were measured at birth and 1-month of age. Cord leptin, high-molecular-weight adiponectin (HMWA), pigment epithelium-derived factor (PEDF) and C-peptide were measured by ELISA. Differences between groups were assessed using the Generalized Linear Model framework. Correlations were calculated as standardized regression coefficients and adjusted for significant covariates.

RESULTS: DM-O were heavier at birth than Con-O (3.7 ± 0.6 vs. 3.4 ± 0.4 kg, p = 0.024), but sum of skinfolds (SSF) were not different. At 1-month, there was no difference in weight, SSF or % body fat or postnatal growth between groups. Leptin was higher in DM-O (20.1 ± 14.9 vs. 9.5 ± 9.9 ng/ml in Con-O, p < 0.0001). Leptin was positively associated with birth weight (p = 0.0007) and SSF (p = 0.002) in Con-O and with maternal hemoglobin A1c in both groups (Con-O, p = 0.023; DM-O, p = 0.006). PEDF was positively associated with birth weight in all infants (p = 0.004). Leptin was positively associated with PEDF in both groups, with a stronger correlation in DM-O (p = 0.009). At 1-month, HMWA was positively associated with body weight (p = 0.004), SSF (p = 0.025) and % body fat (p = 0.004) across the cohort.

CONCLUSIONS: Maternal DM results in fetal hyperleptinemia independent of adiposity. HMWA appears to influence postnatal growth. Thus, in utero exposure to DM imparts hormonal differences on infants even without aberrant growth.

Protocolized versus non-protocolized weaning for reducing the duration of invasive mechanical ventilation in newborn infants: review

Background
Mechanical ventilation is a life-saving intervention for critically ill newborn infants with respiratory failure admitted to a neonatal intensive care unit (NICU). Ventilating newborn infants can be challenging due to small tidal volumes, high breathing frequencies, and the use of uncuffed endotracheal tubes. Mechanical ventilation has several short-term, as well as long-term complications. To prevent complications, weaning from the ventilator is started as soon as possible. Weaning aims to support the transfer from full mechanical ventilation support to spontaneous breathing activity.

Objectives
To assess the efficacy of protocolized versus non-protocolized ventilator weaning for newborn infants in reducing the duration of invasive mechanical ventilation, the duration of weaning, and shortening the NICU and hospital length of stay. To determine efficacy in predefined subgroups including: gestational age and birth weight; type of protocol; and type of protocol delivery. To establish whether protocolized weaning is safe and clinically effective in reducing the duration of mechanical ventilation without increasing the risk of adverse events.

Search methods
We searched the Cochrane Central Register of Controlled trials (CENTRAL; the Cochrane Library; 2015, Issue 7); MEDLINE In-Process and other Non-Indexed Citations and OVID MEDLINE (1950 to 31 July 2015); CINAHL (1982 to 31 July 2015); EMBASE (1988 to 31 July 2015); and Web of Science (1990 to 15 July 2015). We did not restrict language of publication. We contacted authors of studies with a subgroup of newborn infants in their study, and experts in the field regarding this subject. In addition, we searched abstracts from conference proceedings, theses, dissertations, and reference lists of all identified studies for further relevant studies.

Selection criteria
Randomized, quasi-randomized or cluster-randomized controlled trials that compared protocolized with non-protocolized ventilator weaning practices in newborn infants with a gestational age of 24 weeks or more, who were enrolled in the study before the postnatal age of 28 completed days after the expected date of birth.

Data collection and analysis
Four authors, in pairs, independently reviewed titles and abstracts identified by electronic searches. We retrieved full-text versions of potentially relevant studies.

Main results
Our search yielded 1752 records. We removed duplicates (1062) and irrelevant studies (843). We did not find any randomized, quasi-randomized or cluster-randomized controlled trials conducted on weaning from mechanical ventilation in newborn infants. Two randomized controlled trials met the inclusion criteria on type of study and type of intervention, but only included a proportion of newborns. The study authors could not provide data needed for subgroup analysis; we excluded both studies.

Authors' conclusions
Based on the results of this review, there is no evidence to support or refute the superiority or inferiority of weaning by protocol over non-protocol weaning on duration of invasive mechanical ventilation in newborn infants.

Optimised Multiplication Architectures for Accelerating Fully Homomorphic Encryption

Large integer multiplication is a major performance bottleneck in fully homomorphic encryption (FHE) schemes over the integers. In this paper two optimised multiplier architectures for large integer multiplication are proposed. The first of these is a low-latency hardware architecture of an integer-FFT multiplier. Secondly, the use of low Hamming weight (LHW) parameters is applied to create a novel hardware architecture for large integer multiplication in integer-based FHE schemes. The proposed architectures are implemented, verified and compared on the Xilinx Virtex-7 FPGA platform. Finally, the proposed implementations are employed to evaluate the large multiplication in the encryption step of FHE over the integers. The analysis shows a speed improvement factor of up to 26.2 for the low-latency design compared to the corresponding original integer-based FHE software implementation. When the proposed LHW architecture is combined with the low-latency integer-FFT accelerator to evaluate a single FHE encryption operation, the performance results show that a speed improvement by a factor of approximately 130 is possible.

Tyrosine phosphorylation and dephosphorylation in Burkholderia cenocepacia affect biofilm formation, growth under nutritional deprivation, and pathogenicity

Burkholderia cenocepacia, a member of the B. cepacia complex (Bcc), is an opportunistic pathogen causing serious chronic infections in patients with cystic fibrosis. Tyrosine phosphorylation has emerged as an important post-translational modification modulating the physiology and pathogenicity of Bcc bacteria. Here, we investigated the predicted bacterial tyrosine kinases BCAM1331 and BceF, and the low molecular weight protein tyrosine phosphatases BCAM0208, BceD and BCAL2200 of B. cenocepacia K56-2. We show that BCAM1331, BceF, BCAM0208 and BceD contributed to biofilm formation, while BCAL2200 was required for growth in nutrient-limited conditions. Multiple deletions of either tyrosine kinase or low molecular weight protein tyrosine phosphatases genes resulted in attenuation of B. cenocepacia intramacrophage survival and reduced pathogenicity in the Galleria mellonella larvae infection model. Experimental evidence indicates that BCAM1331 displays a reduced
tyrosine autophosphorylation activity compared to BceF. Using the artificial substrate p-nitrophenyl phosphate, the phosphatase activity of the three low molecular weight protein tyrosine phosphatases demonstrated similar kinetic parameters. However, only BCAM0208 and BceD could dephosphorylate BceF. Further, BCAL2200 becomes tyrosine phosphorylated in vivo and catalyzes its auto-dephosphorylation. Together, our data suggest that despite having similar biochemical activities low molecular weight protein tyrosine phosphatases and tyrosine kinases have both overlapping and specific roles in the physiology of B. cenocepacia.

The importance of the gestation period for welfare of lambs: Maternal stressors and lamb vigour and wellbeing

The prenatal period is of critical importance in defining how individuals respond to their environment throughout life. Stress experienced by pregnant females has been shown to have detrimental effects on offspring behaviour, health and productivity. The sheep has been used extensively as a model species to inform human studies. However, in the farmed environment, the consequences for the lamb of the imposition of prenatal stresses upon the ewe have received much less attention. The stressors that pregnant ewes are most frequently exposed to include sub-optimal nutrition and those related to housing, husbandry and environment which may be either acute or chronic. A systematic review of the literature was adopted to identify material which had production-relevant maternal stressors and lamb outcomes. The current review focussed upon the lamb up to weaning around the age of 100 days and the results clearly demonstrate that stressors imposed upon the ewe have implications for offspring welfare and performance. Maternal under-nutrition (UN) in the last third of pregnancy consistently impaired lamb birth-weight and subsequent vigour and performance, while earlier UN had a variable effect on performance. Feeding the ewe above requirements did not have positive effects on lamb performance and welfare. Social and husbandry stressors such as transport, shearing, mixing and physiological treatments designed to mimic acute stress which would be considered disadvantageous for the ewe had positive or neutral effects for the lamb, highlighting a potential conflict between the welfare of the ewe and her lamb. This review also identified considerable gaps in knowledge, particularly in respect of the impact of disease upon the ewe during pregnancy and interactions between different stressors and the responses of ewe and lamb.

Relação do aroma e da espuma dos vinhos espumantes com o potencial enológico das uvas e dos vinhos

Os espumantes produzidos segundo o método Champanhês são obtidos após uma segunda fermentação em garrafa. Quando o vinho é vertido no copo, o CO2 produzido é libertado, sendo a espuma formada o resultado da sua interacção com os constituintes do vinho. A quantidade e a estabilidade da espuma do vinho espumante estão relacionadas com a sua composição química. Para além da espuma, o aroma é também um parâmetro importante de qualidade na apreciação geral de um vinho espumante. O aroma de um vinho espumante provém do contributo das uvas assim como do processo fermentativo. Dependendo do estado de maturação da uva, o contributo dos compostos voláteis para o aroma é diferente. Em virtude da vindima para os vinhos espumantes ser realizada antes da vindima para os vinhos maduros, dependendo da variedade, as uvas poderão não ser colhidas na expressão máxima do seu aroma, podendo verificar-se uma perda significativa do seu potencial varietal volátil. O objectivo desta dissertação é relacionar o aroma e a espuma dos vinhos espumantes com o potencial enológico das uvas e dos vinhos. Para isso, foi estudada a composição volátil das duas castas principais da Bairrada, a casta branca Fernão-Pires (FP) e a casta tinta Baga (BG), sendo estas duas das castas usadas para a produção de espumante. Para estudar a composição volátil das uvas durante a maturação, com vista a avaliar este efeito na expressão máxima de compostos voláteis, foi optimizada para este propósito a metodologia de microextracção em fase sólida em espaço de cabeça (HS-SPME). As uvas foram colhidas semanalmente, em duas vinhas, do pintor à pós-maturidade sendo posteriormente analisadas pela metodologia de HS-SPME seguida de cromatografia de gás acoplada à espectrometria de massa com quadrupolo (GC–qMS). No caso das uvas BG, observou-se um aumento acentuado na expressão máxima de compostos voláteis próximo da maturidade da uva determinada pelo teor em açúcar e acidez titulável, mantendo-se constante durante a pós-maturidade. Na determinação do perfil volátil das uvas ao longo da maturação foram identificados 66 compostos varietais nas uvas provenientes de uma vinha (Pedralvites) e 45 da outra vinha (Colégio). Em ambas as vinhas foram identificados 23 sesquiterpenóides, 13 monoterpenóides, 6 norisoprenóides, 2 álcoois aromáticos e 1 diterpenóide. Os sesquiterpenóides, devido à sua abundância em número e em área cromatográfica, podem ser considerados marcadores da casta BG. As uvas FP apresentaram um comportamento diferente do das uvas BG, sendo a expressão máxima de compostos voláteis expressa durante um curto período de tempo (1 semana), que coincide com a maturidade da uva. Depois de atingido este pico, observa-se uma diminuição drástica logo na semana seguinte. Este comportamento foi observado em ambas as vinhas, onde foram identificados 20 compostos voláteis varietais e 5 pré-fermentativos (álcoois e aldeídos em C6). Estes resultados mostram que quando estas castas são colhidas precocemente (1 semana antes da maturidade) para a produção de espumante, é observada uma redução significativa do potencial volátil que é expresso na maturidade. Para a análise da composição volátil dos vinhos espumantes foi optimizada uma metodologia de microextracção que permite usar uma maior quantidade de fase estacionária, a extracção sorptiva em barra de agitação (SBSE). O método foi optimizado usando 10 padrões de compostos voláteis representativos das principais famílias químicas presentes no vinho, nomeadamente, ésteres, monoterpenóides, sesquiterpenóides, norisoprenóides em C13 e álcoois. O método proposto apresenta uma boa linearidade (r2 > 0,982) e a reprodutibilidade varia entre 8,9 e 17,8%. Os limites de detecção para a maioria dos compostos é bastante baixo, entre 0,05 e 9,09 μg L-1. O método foi aplicado para a análise da composição volátil dos vinhos espumantes. Dentro dos vinhos espumantes analisados, foi estudada a influência da casta, do tipo de solo e do estado de maturação das uvas na sua composição volátil. A casta FP pode dar origem a vinhos com maior potencial de aroma do que a casta BG. Relativamente à avaliação dos diferentes estados de maturação, verificou-se que as uvas da maturidade e as da colheita tardia (uma semana depois da maturidade) deram origem aos vinhos com maior quantidade de compostos voláteis. Para os três tipos de solo estudados (arenoso, argiloso e argilo-calcário), o vinho obtido a partir de uvas colhidas no solo argilo-calcário foi o que mostrou a maior concentração de compostos voláteis varietais. A espuma destes vinhos espumantes foi também avaliada quanto à sua quantidade máxima (HM) e tempo de estabilidade (TS). O vinho espumante que apresentou um maior TS foi o vinho produzido a partir da casta FP proveniente de uma colheita tardia e solo argiloso. Os vinhos provenientes dos solos arenosos e argilo-calcários são os que apresentaram valores mais baixos de TS. Com vista a avaliar quais os conjuntos de moléculas do vinho que estão relacionados com as propriedades da espuma e possíveis sinergismos entre eles, para cada vinho espumante foi separada a fracção hidrofóbica de baixo peso molecular (MeLMW), a fracção de elevado peso molecular (HMW) e duas fracções de peso molecular intermédio (AqIMW e MeIMW). As propriedades da espuma dos vinhos modelo, reconstituídos com estas fracções e suas misturas, foram avaliadas. A combinação da fracção HMW com a MeLMW aumentou o TS 2,7 vezes quando comparado com o observado para a fracção HMW isoladamente, produzindo um efeito sinergético. Este aumento do TS ainda foi maior quando se combinou a fracção HMW com as subfracções obtidas a partir da fracção MeLMW, principalmente para as fracções menos apolares. A subfracção hidrofóbica menos apolar foi caracterizada por espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS/MS) tendo sido identificada uma série de oligómeros de polietileno glicol e um potencial composto tensioactivo, o 8-hidroxi-tridecanoato de dietilenoglicolglicerilacetato. A fracção MeLMW foi também isolada da espuma do vinho espumante e caracterizada por ESI-MS/MS, permitindo identificar vários compostos potenciais tensioactivos, nomeadamente, dois monoacilgliceróis e quatro derivados de ácidos gordos com gliceriletilenoglicol. Estes resultados confirmam que estes compostos relacionados com a estabilidade da espuma existem em maior número na espuma do que no vinho. O vinho foi ainda fraccionado em 12 grupos de moléculas: 3 fracções de manoproteínas, 3 de arabinogalactanas, 3 de misturas de polissacarídeos, proteínas e compostos fenólicos e 3 fracções de peso molecular intermédio e baixo, compostas por uma mistura de hidratos de carbono, peptídeos e compostos fenólicos. Foram usados vinhos modelo reconstituídos com cada uma das fracções isoladas na concentração em que estas se encontraram no vinho. Foram também efectuados ensaios com soluções modelo dez vezes mais concentradas e com misturas de algumas das fracções. Todas as soluções formadas foram avaliadas quanto às propriedades da espuma. O aumento da concentração para dez vezes faz com que a solução contendo a fracção rica em manoproteínas (MP1) aumente para mais do dobro a HM e 7,4 vezes mais o TS. A combinação entre a fracção MP1 e a MeLMW produziu um aumento significativo nos parâmetros de HM e TS. A combinação da fracção HMW (manoproteínas com baixo teor em proteína) com a MeLMW (tensioactivos derivados de ácidos gordos com gliceriletilenoglicol) contém os compostos chave de um vinho espumante para se obter uma maior quantidade e estabilidade da espuma.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.