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.

Characterization of bioactive compounds of dealcoholized wine: valuation of distillation process

O vinho tinto é uma importante fonte de compostos fenólicos com atividade antioxidante e que estão relacionados com a prevenção de doenças cardiovasculares e cancro. Estes compostos são um sub-produto do processo de destilação vínica utilizado para produzir aguardente necessária para a produção de Vinho do Porto. Esta tese tem como objetivo valorizar os compostos fenólicos resultantes das destilarias de vinho, através do estudo da sua composição, das interações com o material polimérico do vinho, da sua estabilidade durante o armazenamento e avaliação dos seus potenciais efeitos biológicos in vitro. Isto irá permitir definir aplicações para estes compostos como ingredientes alimentares com propriedades funcionais. Dois vinhos tintos (RW1 e RW2) foram utilizados como fonte de compostos fenólicos. A fim de estudar estes compostos, cada vinho foi evaporado à pressão atmosférica, permitindo obter o respetivo vinho desalcolizado (DW1 e DW2). Os polissacarídeos e compostos fenólicos presentes nos vinhos desalcolizados foram fracionados por extração em fase sólida utilizando cartuchos C18 sep-pak. A fração hidrofóbica, rica em compostos fenólicos, foi separada em frações ricas em ácidos fenólicos, em procianidinas e em antocianinas, as quais foram usadas para avaliar a sua contribuição para a atividade antioxidante total e caracterização fenólica detalhada dos DW. Foram obtidas quantidades comparáveis de compostos fenólicos totais (1.3 g/L para RW1 e DW1, e 3.1 para RW2 e DW2), de taninos (1.2 g/L para RW1 e DW1 e 1.6 para RW2 e DW2) e de antocianinas (0.24 g/L para RW1 e DW1 e 0.41 para RW2 e DW2) para os vinhos e para os respetivos vinhos desalcolizados. A determinação da atividade antioxidante de RW e DW pelos métodos do DPPH e ABTS também originou valores semelhantes, permitindo inferir que o processo de destilação realizado não promoveu uma perda relevante de compostos fenólicos. A atividade antioxidante total de vinho deveu-se essencialmente à fração rica em antocianinas. Os dois DW foram dialisados para se obter o material polimérico dos vinhos (WPM1 e WPM2). O WPM1 e WPM2 apresentavam 1.1 e 1.3 g/L de material sólido, respetivamente. O WPM (WPM1 e WPM2) era composto por polissacarídeos (31 e 36%), proteínas (10 e 12%) e também por compostos fenólicos (32 e 43%). A análise de açúcares mostrou que as manoproteínas e as arabinogalactanas eram os principais polissacarídeos presentes. A extração do WPM com metanol deu origem a um material insolúvel em metanol (PMi) e a uma fração solúvel em metanol, que continuava a conter hidratos de carbono e compostos fenólicos, mostrando uma forte interação entre estes compostos. Para determinar a energia de ativação (Ea) da libertação dos compostos fenólicos de fracções de material polimérico do vinho, foram realizadas diálises do DW, WPM e PMi, utilizando-se quatro concentrações diferentes, a cinco temperaturas (5-40 °C). O valor da Ea foi 25 para o WPM e 61 kJ/mol para o PMi, mostrando que os compostos fenólicos do vinho podem estar associados de forma diferente à matriz polimérica e que uma fração pode estar, ainda, fortemente associada a esta matriz. A fim de avaliar a possível existência de interações seletivas com os compostos fenólicos, o WPM foi fracionado, permitindo a obtenção de uma fração rica em manoproteínas (MP), através de uma cromatografia de afinidade com concanavalina A e 3 frações ricas em arabinogalactanas (AG0, AG1 e AG2) obtidas por cromatografia de troca aniónica. Foi avaliada a difusão de nove antocianinas monoméricas através de uma membrana de diálise, em presença do WPM, e das frações ricas em MP e em AG. A diálise dos compostos fenólicos livres do vinho foi realizada como ensaio em branco. Todas as frações poliméricas mostraram capacidade para reter as antocianinas, embora em diferente extensão. Foi observada uma capacidade de retenção maior para as antocianinas acilglucosiladas do que para as antocianinas glucosiladas. A fração rica em AG teve uma maior contribuição para a capacidade de retenção das antocianinas pelo material polimérico vinho do que a fração rica em MP, principalmente quando as antocianinas estavam acetiladas. Com o objetivo de estudar formas para preservar, a longo prazo, as propriedades antioxidantes dos compostos fenólicos, o extrato de compostos fenólicos (PCE), em pó, foi armazenado em diferentes condições de luz e atmosfera, à temperatura ambiente durante 1 ano. Observou-se que o PCE armazenado no escuro, dentro de um exsicador sob atmosfera de azoto, preservou 95% da atividade antioxidante inicial. Também foram avaliadas as melhores condições para preservar as antocianinas quando em solução, armazenadas a duas temperaturas (5 e 30 ºC) durante 3 meses. A adição de 0.5 g/L de uma fração rica em polissacarídeos a um vinho armazenado a 30 ºC promoveu a proteção das antocianinas, especialmente das antocianinas cumaroiladas. Os potenciais efeitos biológicos dos compostos fenólicos foram avaliados em diferentes sistemas celulares in vitro utilizando as seguintes frações: WPM, WPS (polissacarídeos do vinho), WPC (compostos fenólicos do vinho), PA-E (fração rica em ácidos fenólicos), PR-E (fração rica em procianidinas) e APP-E (fração rica em antocianinas e procianidinas poliméricas). Foi observada uma maior viabilidade celular quando as células do carcinoma do cólon HT-29 foram expostas a dois agentes oxidantes (radiação UV e H2O2) em presença das frações PR-E e APP-E. Além disso, os extratos WPS, WPC, PR-E e APP-E mostraram propriedades anti-inflamatórias, avaliadas pela inibição da produção de NO por células de macrófagos RAW264.7, sendo o extrato APP-E (0.19 mg/mL) o que exibiu a maior capacidade anti-inflamatória. A fim de elucidar as propriedades antioxidantes dos extratos do vinho em células humanas, os glóbulos vermelhos (RBC) foram selecionados como um modelo metabolicamente simples. Os extratos WPM, WPS, WPC, PR-E, e APP-E mostraram efeito anti-hemolítico para a hemólise dos RBC provocada pelo peróxido de hidrogénio (H2O2) e pelo di-hidrocloreto de 2,2'-azo-bis(2-diaminopropano) (AAPH). Os resultados obtidos permitem concluir que o processo de desalcoolização dos vinhos à pressão atmosférica, preservou as principais características antioxidantes dos compostos fenólicos. Estes compostos podem contribuir para a defesa das células contra agentes oxidantes, nomeadamente por terem um potencial de atividades anti-inflamatória e anti-hemolítica, promovendo a viabilidade celular. A interação dos compostos fenólicos do vinho com o material polimérico permite inferir uma dosagem contínua e gradual das antocianinas vinho tinto após a sua ingestão, contribuindo para um período mais longo da sua exposição e, como consequência, dos seus potenciais benefícios para a saúde.

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.

Antioxidant properties and phenol content of Portulaca oleracea L. leaf, stems and flowers infusions: health benefits

Dissertação de mest., Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Univ. do Algarve, 2011

Angolan cymbopogon citratus used for therapeutic benefits: nutritional composition and influence of solvents in phytochemicals content and antioxidant activity of leaf extracts

Folk medicine is a relevant and effective part of indigenous healthcare systems which are, in practice, totally dependent on traditional healers. An outstanding coincidence between indigenous medicinal plant uses and scientifically proved pharmacological properties of several phytochemicals has been observed along the years. This work focused on the leaves of a medicinal plant traditionally used for therapeutic benefits (Angolan Cymbopogon citratus), in order to evaluate their nutritional value. The bioactive phytochemical composition and antioxidant activity of leaf extracts prepared with different solvents (water, methanol and ethanol) were also evaluated. The plant leaves contained ~60% of carbohydrates, protein (~20%), fat (~5%), ash (~4%) and moisture (~9%). The phytochemicals screening revealed the presence of tannins, flavonoids, and terpenoids in all extracts. Methanolic extracts also contained alkaloids and steroids. Several methods were used to evaluate total antioxidant capacity of the different extracts (DPPH; NO; and H2O2 scavenging assays, reducing power, and FRAP). Ethanolic extracts presented a significantly higher antioxidant activity (p < 0.05) except for FRAP, in which the best results were achieved by the aqueous extracts. Methanolic extracts showed the lowest radical scavenging activities for both DPPH; and NO; radicals.

Extração e caracterização de extratos de Jatropha gossypiifolia L.: avaliação da sua atividade antimicrobiana e antioxidante

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

Dissolved Folin Phenol Active Substances (Tannin and Lignin) in the Seawater along the West Coast of India

Information on the distribution of dissolved Folin phenol active substances (FPAS) such as tannin and lignin in the seawater along the west coast of India is provided. Notable amounts of FPAS (surface concentrations: 80 f.1gll to 147 f.1gll and bottom concentrations: 80 f.1gll to 116 f.1gll) were detected in the seawater along the coast. The distribution pattern brings about a general depth-wise decrease. A seaward decrease was observed in the southern stations whereas reverse was the case in northern stations. A significant negative correlation was observed between FPAS concentration and dissolved oxygen in sub-surface samples. The appreciable amounts of FPAS detected in the coastal waters indicate the presence of organic matter principally originating from terrestrial (upland and coastal marsh) ecosystems in the marine environment. In this context, they may be used as tracers to determine the fate of coastalborn dissolved organic matter in the ocean and to determine directly the relationship between allochthonous and autochthonous organic matter

The role of ligneous vegetation for livestock nutrition in the sub-Sahelian and Sudanian zones of West Africa: Potential effects of climate change

Climate change and variability in sub-Saharan West Africa is expected to have negative consequences for crop and livestock farming due to the strong dependence of these sectors on rainfall and natural resources, and the low adaptive capacity of crops farmers, agro-pastoralist and pastoralists in the region. The objective of this PhD research was to investigate the anticipated impacts of expected future climate change and variability on nutrition and grazing management of livestock in the prevailing extensive agro-pastoral and pastoral systems of the Sahelian and Sudanian zones of Burkina Faso. To achieve this, three studies were undertaken in selected village territories (100 km² each) in the southern Sahelian (Taffogo), northern Sudanian (Nobere, Safane) and southern Sudanian (Sokouraba) zone of the country during 2009 and 2010. The choice of two villages in the northern Sudanian zone was guided by the dichotomy between intense agricultural land use and high population density near Safane, and lower agricultural land use in the tampon zone between the village of Nobere and the National Park Kaboré Tambi of Pô. Using global positioning and geographical information systems tools, the spatio-temporal variation in the use of grazing areas by cattle, sheep and goats, and in their foraging behaviour in the four villages was assessed by monitoring three herds each per species during a one-year cycle (Chapter 2). Maximum itinerary lengths (km/d) were observed in the hot dry season (March-May); they were longer for sheep (18.8) and cattle (17.4) than for goats (10.5, p<0.05). Daily total grazing time spent on pasture ranged from 6 - 11 h with cattle staying longer on pasture than small ruminants (p<0.05). Feeding time accounted for 52% - 72% of daily time on pasture, irrespective of species. Herds spent longer time on pasture and walked farther distances in the southern Sahelian than the two Sudanian zones (p<0.01), while daily feeding time was longer in the southern Sudanian than in the other two zones (p>0.05). Proportional time spent resting decreased from the rainy (June - October) to the cool (November - February) and hot dry season (p<0.05), while in parallel the proportion of walking time increased. Feeding time of all species was to a significantly high proportion spent on wooded land (tree crown cover 5-10%, or shrub cover >10%) in the southern Sahelian zone, and on forest land (tree crown cover >10%) in the two Sudanian zones, irrespective of season. It is concluded that with the expansion of cropland in the whole region, remaining islands of wooded land, including also fields fallowed for three or more years with their considerable shrub cover, are particularly valuable pasturing areas for ruminant stock. Measures must be taken that counteract the shrinking of wooded land and forests across the whole region, including also active protection and (re)establishment of drought-tolerant fodder trees. Observation of the selection behaviour of the above herds of cattle and small ruminant as far as browse species were concerned, and interviews with 75 of Fulani livestock keepers on use of browse as feed by their ruminant stock and as remedies for animal disease treatment was undertaken (Chapter 3) in order to evaluate the consequence of climate change for the contribution of browse to livestock nutrition and animal health in the extensive grazing-based livestock systems. The results indicated that grazing cattle and small ruminants do make considerable use of browse species on pasture across the studied agro-ecological zones. Goats spent more time (p<0.01) feeding on browse species than sheep and cattle, which spent a low to moderate proportion of their feeding time on browsing in any of the study sites. As far as the agro-ecological zones were concerned, the contribution of browse species to livestock nutrition was more important in the southern Sahelian and northern Sudanian zone than the southern Sudanian zone, and this contribution is higher during the cold and hot dry season than during the rainy season. A total of 75 browse species were selected on pasture year around, whereby cattle strongly preferred Afzelia africana, Pterocarpus erinaceus and Piliostigma sp., while sheep and goats primarily fed on Balanites aegyptiaca, Ziziphus mauritiana and Acacia sp. Crude protein concentration (in DM) of pods or fruits of the most important browse species selected by goats, sheep and cattle ranged from 7% to 13% for pods, and from 10% to 18% for foliage. The concentration of digestible organic matter of preferred browse species mostly ranged from 40% to 60%, and the concentrations of total phenols, condensed tannins and acid detergent lignin were low. Linear regression analyses showed that browse preference on pasture is strongly related to its contents (% of DM) of CP, ADF, NDF and OM digestibility. Interviewed livestock keepers reported that browse species are increasingly use by their grazing animals, while for animal health care use of tree- and shrub-based remedies decreased over the last two decades. It is concluded that due to climate change with expected negative impact on the productivity of the herbaceous layer of communal pastures browse fodder will gain in importance for animal nutrition. Therefore re-establishment and dissemination of locally adapted browse species preferred by ruminants is needed to increase the nutritional situation of ruminant stock in the region and contribute to species diversity and soil fertility restoration in degraded pasture areas. In Chapter 4 a combination of household surveys and participatory research approaches was used in the four villages, and additionally in the village of Zogoré (southern Sahelian zone) and of Karangasso Vigué (northern Sudanian zone) to investigate pastoralists’ (n= 76) and agro-pastoralists’ (n= 83) perception of climate change, and their adaptation strategies in crop and livestock production at farm level. Across the three agro-ecological zones, the majority of the interviewees perceived an increase in maximum day temperatures and decrease of total annual rainfall over the last two decades. Perceptions of change in climate patterns were in line with meteorological data for increased temperatures while for total rainfall farmers’ views contrasted the rainfall records which showed a slight increase of precipitation. According to all interviewees climate change and variability have negative impacts on their crop and animal husbandry, and most of them already adopted some coping and adaptation strategies at farm level to secure their livelihoods and reduce negative impacts on their farming system. Although these strategies are valuable and can help crop and livestock farmers to cope with the recurrent droughts and climate variability, they are not effective against expected extreme climate events. Governmental and non-governmental organisations should develop effective policies and strategies at local, regional and national level to support farmers in their endeavours to cope with climate change phenomena; measures should be site-specific and take into account farmers’ experiences and strategies already in place.

Biodegradation of polyethylene glycol (PEG) in three tropical soils using radio labelled PEG

Polyethylene glycol (PEG) may be added to forage based diets rich in tannins for ruminant feeding because it binds to tannins and thus prevent the formation of potentially indigestible tannin-protein complexes. The objective of this work was to determine the in vitro biodegradation (mineralization, i.e., complete breakdown of PEG to CO2) rate of PEG. C-14-Polyethylene glycol (C-14-PEG) was added to three different tropical soils (a sandy clay loam soil, SaCL; a sandy clay soil, SaC; and a sandy loam soil, SaL) and was incubated in Bartha flasks. Free PEG and PEG bound to tannins from a tannin rich local shrub were incubated under aerobic conditions for up to 70 days. The biodegradation assay monitored the (CO2)-C-14 evolved after degradation of the labelled PEG in the soils. After incubation, the amount of (CO2)-C-14 evolved from the C-14-PEG application was low. Higher PEG mineralization values were found for the soils with higher organic matter contents (20.1 and 18.6 g organic matter/kg for SaCL and SaC, respectively) than for the SaL soil (11.9 g organic matter/kg) (P < 0.05). The extent of mineralization of PEG after 70 days of incubation in the soil was significantly lower (P < 0.05) when it was added as bound to the browse tannin than in the free form (0.040 and 0.079, respectively). (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

In vitro degradability of mature and immature leaves of tropical forage legumes differing in condensed tannin and non-starch polysaccharide content and composition

A study was designed to examine the relationships between protein, condensed tannin and cell wall carbohydrate content and composition and the nutritional quality of seven tropical legumes (Desmodium ovalifolium, Flemingia macrophylla, Leucaena leucocephala, L pallida, L macrophylla, Calliandra calothyrsus and Clitotia fairchildiana). Among the legume species studied, D ovalifolium showed the lowest concentration of nitrogen, while L leucocephala showed the highest. Fibre (NDF) content was lowest in C calothyrsus, L Leucocephala and L pallida and highest in L macrophylla, which had no measurable condensed tannins. The highest tannin concentration was found in C calothyrsus. Total non-structural polysaccharides (NSP) varied among legumes species (lowest in C calothyrsus and highest in D ovalifolium), and glucose and uronic acids were the most abundant carbohydrate constituents in all legumes. Total NSP losses were lowest in F macrophylla and highest in L leucocephala and L pallida. Gas accumulation and acetate and propionate levels were 50% less with F macrophylla and D ovalifolium as compared with L leucocephala. The highest levels of branched-chain fatty acids were observed with non-tanniniferous legumes, and negative concentrations were observed with some of the legumes with high tannin content (D ovalifolium and F macrophylla). Linear regression analysis showed that the presence of condensed tannins was more related to a reduction of the initial rate of gas production (0-48 h) than to the final amount of gas produced or the extent (144h) of dry matter degradation, which could be due to differences in tannin chemistry. Consequently, more attention should be given in the future to elucidating the impact of tannin structure on the nutritional quality of tropical forage legumes. (C) 2003 Society of Chemical Industry.

The effectiveness of adapted rumen fluid versus PEG to ferment tannin-containing substrates in vitro

This study investigated the potential of the goat's ruminal adaptation to reduce the negative effect of tannins on in vitro fermentation. Rumen fluid was obtained from goats fed a mixture of tannin-containing tree fruits (adapted rumen fluid) or tannin-free commercial protein supplements (unadapted rumen fluid) for 85 days. Dry, mature fruits of Acacia nilotica, Acacia erubescens, Acacia erioloba, Dichrostachys cinerea and Piliostigma thonningii were used as substrates for the in vitro fermentation. The effectiveness of adapted rumen fluid to ferment tannin-containing substrates was compared to the extent of fermentation when tannins were inactivated with polyethylene glycol (PEG), a known tannin-binding agent. Adapted rumen fluid (P < 0.05) increased gas production from all five substrates between 15.8% and 73.7%. In A. nilotica, D. cinerea and P thonningii, this increase was less than that obtained through PEG treatment. When PEG was added to adapted rumen fluid a further improvement in extent of fermentation was observed in four out of the five fruit samples. The largest PEG effect when incubated with adapted rumen fluid was observed in A. nilotica (43.1%) and D. cinerea (42.9%) fruits. It is concluded that some tannin-rich feedstuffs may still benefit from treatment even when these are offered to adapted animals. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Tanniniferous Dichrostachys cinerea fruits do not require detoxification for goat nutrition: in sacco and in vivo evaluations

This study investigated the potential of Dichrostachys cinerea fruits as a protein supplement in semi-arid areas of Zimbabwe. The tanniniferous fruits were treated with aqueous solutions of polyethylene glycol (PEG) or sodium hydroxide (NaOH). Both treatments increased the soluble fraction, rate of degradation and effective degradability (ED) of nitrogen (N) in sacco. The PEG effects were higher than the NaOH effects (e.g. a 25% vs. 6% increase in effective N degradabilities, respectively). Five treatments were evaluated in a N-balance trial using Matebele goats: ground, PEG- or NaOH-treated D. cinerea fruits, a commercial protein supplement (CPS) and no supplement. Animals offered ground fruits or CPS retained most N (3.7 or 4.1 g N/day, respectively), while those offered NaOH- or PEG-treated fruits retained significantly less N (2.7 or 1.0 g/day, respectively). Unsupplemented animals were in negative N balance (-2.4 g/day). PEG treatment deactivated the tannins more than the NaOH treatment. PEG treatment resulted in excessive protein degradation in the rumen leading to high urine N loss. It is concluded that the D. cinerea fruits were beneficial for goat N-nutrition and that the tannins did not require inactivation. D. cinerea fruits can, therefore, replace the expensive commercial protein supplement. It is also suggested that the collection and grinding of fruits could be used as a management tool to control bush encroachment. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dichrostachys cinerea and Acacia nilotica fruits as dry season feed supplements for goats in a semi-arid environment: Summary of a DFID funded project in Zimbabwe

Indehiscent fruits of six tree species, common in Matabeleland were examined in in vitro and in vivo trials. The results for two of them, Acacia nilotica and Dichrostachys cinerea are presented here. Acacia nilotica-contained more total phenolics than D. cinerea, but less nitrogen (N) and fibre (ADF and NDF). After 48 h incubation, in vitro OMD of both species was increased by PEG and NaOH or wood ash treatment, except when NaOH or wood ash were used in combination with PEG with D. cinerea fruits. DM intake, DMD were lowest and N-retention negative in goats fed A. nilotica as supplement. However when fed a supplement of D. cinerea, untreated or treated with PEG or NaOH, digestibility and N-retention were highest, and similar to a commercial goat meal, with the untreated fruit. In a trial in which milking does were supplemented with D. cinerea fruits, for 65 before and 65 days after kidding, kid birthweight and weaning weight were increased by supplementation. Deaths of twin-born kids were lowest in the supplemented but unmilked group. Supplementation with D. cinerea fruit resulted in improved goat performance. The only treatment applied of practical significance, wood ash, is currently being tested in an in vivo study. More research is required on detoxification of tannins, especially with A. nilotica. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Factors affecting biomass production and nutritive value of Calliandra calothyrsus leaf as fodder for ruminants

Calliandra calothyrsus is a tree legume native to Mexico and Central America. The species has attracted considerable attention for its capacity to produce both fuelwood and foliage for either green manure or fodder. Its high content of proanthocyanidins (condensed tannins) and associated low digestibility has, however, limited its use as a feed for ruminants, and there is also a widespread perception that wilting the leaves further reduces their nutritive value. Nevertheless, there has been increasing uptake of calliandra as fodder in certain regions, notably the Central Highlands of Kenya. The present study, conducted in Embu, Kenya, investigated effects of provenance, wilting, cutting frequency and seasonal variation both in the laboratory (in vitro digestibility, crude protein, neutral detergent fibre, extractable and bound proanthocyanidins) and in on-station animal production trials with growing lambs and lactating goats. The local Kenyan landrace of calliandra (Embu) and a closely-related Guatemalan provenance (Patulul) were found to be significantly different, and superior, to a provenance from Nicaragua (San Ramon) in most of the laboratory traits measured, as well as in animal production and feed efficiency. Cutting frequency had no important effect on quality; and although all quality traits displayed seasonal variation there was little discernible pattern to this variation. Wilting had a much less negative effect than expected, and for lambs fed calliandra as a supplement to a low quality basal feed (maize stover), wilting was actually found to give higher live-weight gain and feed efficiency. Conversely, with a high quality basal diet (Napier grass) wilting enhanced intake but not live-weight gain, so feed efficiency was greater for fresh material. The difference between fresh and wilted leaves was not great enough to justify the current widespread recommendation that calliandra should always be fed fresh.

The effect of drying and urea treatment on nutritional and anti-nutritional components of browses collected during wet and dry seasons

Fibre, crude protein and tannin concentrations were measured in browse species from the semi-arid region of Northeast Brazil during the dry and wet seasons. The effects of oven-, sun- and shade-drying and of urea treatment were also determined. Crude protein (CP) content varied from 103 to 161 g/kg dry matter (DM) and the browses had similar CP content in the two seasons (during 2002) (102-161 and 107-153 g/kg DM in the wet and dry seasons, respectively). Total tannin concentrations ranged from 13 to 201 g/kg DM amongst the browses and were higher in the dry season. A 30-d treatment with urea reduced extractable tannins significantly (P < 0.05). The urea treatment was also most effective at reducing the in vitro effects of tannins compared to the other drying treatments. This was demonstrated by measuring the effect of polyethylene glycol (PEG) on gas production. Addition of PEG increased gas production of oven- (81.4%), sun- (78.5%) and shade-dried (76.7%) samples much more compared to urea treated samples (10.9%). (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.