Desenvolvimento de métodos de deteção e quantificação de odores

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outubro de 2013

Márcia Rafaela Silva de Andrade

Desenvolvimento de métodos de deteção e

quantificação de odores

UMinho|20

13

Már

cia Rafaela Silva de Andr

ade

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vimento de métodos de de

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Dissertação de Mestrado

Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Ramo Tecnologia do Ambiente

Trabalho realizado sobre a orientação do

Doutora Carla Joana Silva

e da coorientação do

Doutor José Maria Marques Oliveira

outubro de 2013

Márcia Rafaela Silva de Andrade

Desenvolvimento de métodos de deteção e

quantificação de odores

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iii Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Agradecimentos

A realização deste projeto não seria possível sem o apoio e a colaboração de diferentes entidades e personalidades. Desde já gostaria de expressar o meu reconhecimento a todos estes, que, das mais variadas formas contribuíram para que os objetivos deste trabalho fossem alcançados. Começo desde já por agradecer aos meus orientadores de tese, a Doutora Carla Joana Silva, por todo o apoio, orientação e toda a disponibilidade que sempre prestou ao longo de todas as etapas do projeto e ao Doutor José Maria Oliveira por toda a disponibilidade, apoio e empenho.

Queria agradecer também ao Mestre Ricardo Neto por toda a orientação, motivação e por todos os conhecimentos transmitidos no decorrer deste projeto.

Agradeço também à Mestre Andreia Monteiro pela disponibilidade e auxilio prestado e aos meus colegas de estágio pelo companheirismo e boa disposição.

Agradeço ao CeNTI (Centro de Nanotecnologia e Materiais Técnicos, Inteligentes e Funcionais) pelos recursos e equipamentos disponibilizados que tornaram possível a realização deste projeto.

Um obrigada ao CITEVE (Centro Tecnológico Têxtil e Vestuário) pela disponibilidade de alguns equipamentos, tais como o GC-MS e o Foulard.

Agradeço também à empresa TMG automotive pela disponibilização de substratos, nomeadamente termopoliolefinas.

Um muito obrigada à minha família e amigos pelo apoio incondicional.

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v Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Sumário

Muitos dos métodos atualmente aplicados para a deteção e quantificação de odores têm por base a perceção humana, incluindo assim critérios de subjetividade. A utilização da perceção humana, ou a não conjugação desta com métodos objetivos, apresenta algumas limitações nomeadamente na grande variabilidade incluída nestes critérios.

De forma a contornar estas limitações, atualmente têm-se desenvolvido métodos de base científica que inserem critérios de objetividade na análise qualitativa e quantitativa de odores. Um dos métodos que tem sido atualmente mais aceite e cada vez mais utilizado neste campo é a cromatografia gasosa com espetroscopia de massa (GC-MS).

Têm surgido também inovações na área da química que auxiliam na remoção de odores e na libertação gradual de aromas incorporados em substratos flexíveis e rígidos, nomeadamente a síntese de agentes encapsulantes capazes de incorporar estas moléculas. Um dos agentes encapsulantes mais utilizados e mais citados na literatura correspondem às ciclodextrinas.

O principal objetivo deste projeto consistiu no desenvolvimento de métodos de deteção e quantificação de odores e aromas incorporados em substratos flexíveis (algodão) e rígidos (termopoliolefinas, TPOs). Deste modo, este desdobra-se em dois objetivos específicos: a preparação de substratos com capacidade de captação (absorção) de odores ou libertação (desaborção) de aromas, nomeadamente a captação do odor a tabaco e a libertação gradual do limoneno e o desenvolvimento de métodos capazes de detetar e quantificar tal capacidade.

Os principais resultados deste projeto inseriram-se na funcionalização dos substratos algodão e de termopoliolefinas (TPOs) com os agentes encapsulantes que detiveram uma melhor relação desempenho/economia, nomeadamente com ciclodextrinas, e na caracterização dos mesmos por várias metodologias tais como GC-MS, UV-VIS e FTIR-ATR.

No decorrer da análise dos resultados experimentais verificou-se que a metodologia de GC-MS veio comprovar a encapsulação do aroma limoneno por parte das ciclodextrinas. Contudo, tal não foi verificado para as TPOs funcionalizadas (substratos no qual foi feita a análise da interação com o limoneno) devido ao facto destas possuírem somente 1 % de ciclodextrinas na camada mais superficial. Relativamente à absorção de odores, nomeadamente do tabaco, através do teste conceptual realizado para as TPOs e para o algodão funcionalizados foi possível verificar que estes conseguiram mascarar o odor a tabaco, o que leva a aferir que as ciclodextrinas conseguem encapsular o mesmo e que a funcionalização foi conseguida.

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vii Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Abstract

Many of the methods currently applied for the detection and quantification of odors have for base the human perception, thus including subjective criteria. The use of human perception, or the non-combination with objective methods, has some limitations namely the great variability included in this criteria.

In order to overcome these limitations, currently have been developed methods that insert scientific standards of objectivity in qualitative and quantitative analysis of odors. One of the methods that has been now more accepted and increasingly used in this field corresponds to gas chromatography with mass spectroscopy (GC-MS).

There have been also innovations in the chemistry field that assist in removing odors and in gradual release of aromas incorporated in flexible and rigid substrates, namely the synthesis of encapsulating agents capable to incorporate these molecules. One of the most widely used and most often cited encapsulating agents in the literature correspond to cyclodextrins.

The main goal of this project concerns in the development of methods for detection and quantification of odors embedded in flexible substrates (cotton) and rigid (thermopolyolefins). Thus, this unfolded into two objectives: preparing substrates with uptake capacity (absorption) of odors and release (deabsorption) of aromas, in particular the capture of the tobacco odor and gradual release of limonene, and the development of methods to detect and quantify such capacity.

The main results of this project were inserted in the functionalization of cotton substrates and termopoliolefinas (TPOs) with encapsulating agents which detained a better relationship performance/economy, particularly with cyclodextrins, and the characterization of them by various methods such as GC-MS, UV-VIS and FTIR-ATR.

During the analysis of the experimental results it was verified that the methodology GC-MS came to prove the encapsulation of flavor limonene by cyclodextrins. However, this was not observed for functionalized TPOs (substrates in which the analysis of the interaction with the limonene was performed) because these possess only 1 % of cyclodextrins in the most superficial layer. Regarding the absorption of odors, particularly tobacco, through the conceptual test conducted for functionalized TPOs and cotton was possible to verify that they were able to mask the odor of tobacco, which leads to assess that cyclodextrins can encapsulate the same and the functionalization was achieved.

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ix Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Índice

pág. Agradecimentos ... iii Sumário ... v Abstract ... vii Índice ... ix

-Índice de figuras ... xiii

Índice de tabelas- ...xvii

Lista de abreviaturas ... xix

I. Introdução ... 1

I.1. Enquadramento e motivação do trabalho ... 1

I.2. Objetivos e estrutura do relatório... 2

II. Estado de Arte ... 5

II.1. Métodos de deteção e quantificação de odores ... 5

II.1.1. Métodos de uso corrente ... 5

II.1.1.1. Métodos de diluição para limiar ... 6

II.1.1.2. Métodos Referenciais ... 7

II.1.1.3. Métodos de Classificação ... 7

II.1.2. Limitações dos métodos de uso corrente ... 8

II.1.3. Métodos emergentes... 8

II.1.3.1. Electronic nose (E-nose) ... 9

II.1.3.2. Cromatografia gasosa e espetroscopia de massa (GC-MS) ... 10

II.2. Agentes encapsulantes para odores ... 12

II.2.1. Ciclodextrinas - estrutura, propriedades e aplicações ... 13

II.2.2. Métodos de determinação da capacidade de encapsulação de odores ... 16

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II.3. Substratos de ligação a agentes encapsulantes ... 20

II.3.1. Substratos flexíveis - substratos têxteis ou poliméricos flexíveis ... 20

II.3.1.1. Algodão ... 21

II.3.2. Substratos rígidos ... 22

II.3.2.1. Termopoliolefinas (TPOs) ... 22

II.3.3. Funcionalização de substratos ... 23

III. Técnicas Experimentais ... 27

IV. Materiais e Métodos ... 31

IV.1. Reagentes ... 31

IV.2. Materiais e instrumentação ... 32

IV.3. Preparação de amostras e controlos ... 33

IV.3.1. Síntese de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos-inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas ... 33

IV.3.2. Síntese de conjugados de epicloridrina--ciclodextrina ... 36

IV.3.3. Funcionalização de substratos têxteis com ciclodextrinas a partir do estabelecimento de ligações covalentes ... 37

IV.3.4. Funcionalização de substratos poliméricos rígidos com ciclodextrinas ... 38

IV.3.5. Preparação das amostras para SHS-GC-MS ... 38

IV.3.6. Preparação da solução de fenolftaleína ... 40

V. Resultados e Discussão ... 41

V.1. Métodos desenvolvidos na deteção e quantificação de odores ... 41

V.1.1. Cromatografia gasosa com headspace estático (SHS-GC-MS) ... 41

V.1.2. Método da fenolftaleína a partir do UV-VIS ... 43

V.2. Desenvolvimento de métodos de caracterização de conjugados ... 44

V.2.1. Caracterização de ciclodextrinas e de conjugados derivados ... 45

V. 2.1.1. Deteção e quantificação de ciclodextrinas e de conjugados derivados a partir da cromatografia gasosa/espetrometria de massa com headspace estático ... 45

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xi Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

V.2.1.1.1. GC-MS de ciclodextrinas com limoneno ... 45

V.2.1.2. Método de UV-VIS para a deteção de ciclodextrinas, de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos/inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas e de conjugados de epicloridrina--ciclodextrina ... 47

V.2.1.3. Método de B.E.T. para a determinação da área superficial de ciclodextrinas e de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos/inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas e de conjugados de epicloridrina--ciclodextrina ... 52

V.2.1.4. Método de FTIR-ATR para a deteção de ciclodextrinas e de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos-inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas ... 54

V.2.1.4.1. Deteção de ciclodextrinas ... 54

V.2.1.4.2. Deteção de 3-(trimetoxisilil)propil isocianato ... 55

V.2.1.4.3. Deteção de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos-inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas ... 56

V.2.1.5. Método de TGA para a caracterização de ciclodextrinas e de sílicas híbridas com mesoporos orgânicos/inorgânicos contendo ligações covalentes a -ciclodextrinas e de conjugados de epicloridrina--ciclodextrina ... 67

V.3. Desenvolvimento de métodos de caracterização de substratos ... 71

V.3.1. Substratos flexíveis - Algodão ... 71

V.3.1.1. Caracterização do algodão por UV-VIS ... 71

V.3.1.2. Caracterização do algodão por FTIR-ATR ... 74

V.3.1.3. Ensaio experimental para averiguação da absorção do fumo de tabaco ... 76

V.3.2. Substratos rígidos – Termopoliolefinas ... 78

V.3.2.1. Testes de GC-MS com termopoliolefinas e limoneno ... 78

V.3.2.2. Caracterização de substratos rígidos por UV-VIS ... 79

V.3.2.3 Caracterização de substratos rígidos por FTIR-ATR ... 82

V.3.2.4. Ensaio experimental para averiguação da absorção do fumo de tabaco ... 83

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Referências bibliográficas ... 89 Anexos ... 97

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xiii Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

-Índice de figuras

pág. Figura 1- Representação de um Scentometer (esquerda), de um NasalRanger (direita) e de um Olfatómetro (em baixo) (Coast River-Business Journal, 2013; Odournet, 2013). ... 7 Figura 2- Esquema de funcionamento de um sensor químico utilizado nos e-noses (adaptado de Ryan et al., 2004)... 9 Figura 3- Ilustração de um equipamento de cromatografia gasosa acoplada com um espetrómetro de massa (adaptado de LC GC’s Chromacademy, 2013). ... 10 Figura 4- Estruturas e propriedades das  e CDs (Venturini et al., 2008). ... 13 Figura 5- Estrutura dos monómeros dos conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas (adaptado de Liu et al., 2004). ... 16 Figura 6-Ilustração do encapsulamento da fenolftaleína por parte das ciclodextrinas (-CD) e das ciclodextrinas metiladas (M--CD) (adaptado de Oliveira, 2012). ... 19 Figura 7- Produtos que utilizam poliolefinas no seu processamento (adaptado de Martins, 2011). 23 Figura 8- Mecanismo de funcionamento de CDs no processo de remoção de odores e libertação de aromas na remoção de odores em tecidos têxteis e superfícies poliméricas rígidas (adaptado de Andreaus et al., 2010). ... 25 Figura 9- Vários reagentes para fixação de CDs em materiais têxteis e superfícies poliméricas e a sua respetiva estrutura química (adaptado de Andreaus et al., 2010). ... 26 Figura 10-Representação da separação de fases no processo reacional para a epi 1:5 (esquerda) e para a epi 1:40 (direita). ... 37 Figura 11- Suporte utilizado nos vials no decorrer do ensaio de GC-MS. ... 39 Figura 12- Ensaio experimental de GC-MS mostrando a área do sinal de limoneno obtida (Alimoneno) para volumes de limoneno (Vlimoneno) de 10 µL a 30 µL. ... 42 Figura 13- Áreas de limoneno (Alimoneno) obtidas, para os volumes (Vlimoneno) de 0 µL até 30 µL, do mesmo. ... 42 Figura 14- Curva de calibração para as ciclodextrinas (em pó) adicionadas à solução de fenolftaleína, representando Abs em função da concentração de CDs (CCDS). ... 43 Figura 15- Curva de calibração para as ciclodextrinas dissolvidas em tampão carbonato, mostrando a variação da absorvência (Abs) em função da concentração de ciclodextrinas (CCDs). ... 44

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Figura 16- Gráfico representativo da área do sinal de limoneno (Alimoneno) em função da massa de ciclodextrinas (mCDS). ... 46 Figura 17- Repetição do ensaio de averiguação da encapsulação do limoneno por parte das ciclodextrinas por GC-MS, para uma massa de ciclodextrinas (mCDs) inferior a 0,08 g. ... 47 Figura 18- Representação das amostras 1,1; 1,2; 1,3; 2,1; 2,2; 2,3; epi 1:5 e epi 1:40, depois de misturadas com uma solução de fenolftaleína, que correspondem à numeração e (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8) e (9), respetivamente. ... 50 Figura 19- Espetro de FTIR-ATR das -ciclodextrinas, representando a percentagem de transmitância (T) em função do número de onda (). ... 55 Figura 20-Espetro de FTIR-ATR do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato, representando a percentagem de transmitância (T) em função do número de onda (). ... 56 Figura 21-Espetro de FTIR-ATR do monómero 1 (preto), por comparação com o espetro do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (azul) e das -ciclodextrinas (vermelho). ... 57 Figura 22- Espetro de FTIR-ATR do monómero 2 (preto), por comparação com o espetro do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (azul) e das -ciclodextrinas (vermelho). ... 58 Figura 23- Espetro de FTIR-ATR do conjugado 1,1 (preto) por comparação com os espetros do monómero 1 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 59 Figura 24- Espetros de FTIR-ATR do conjugado 1,2 (preto) por comparação com os espetros do monómero 1 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 60 Figura 25- Espetros de FTIR-ATR do conjugado 1,3 (preto) por comparação com os espetros do monómero 1 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 61 Figura 26- Espetros de FTIR-ATR dos conjugados 2,1 (preto) por comparação com os espetros do monómero 2 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 63 Figura 27- Espetros de FTIR-ATR do conjugado 2,2 (preto) por comparação com os espetros do monómero 2 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 64 Figura 28-- Espetros de FTIR-ATR do conjugado 2,3 (preto) por comparação com os espetros do monómero 2 (azul), do 3-(trimetoxisilil)propil isocianato (verde) e das ciclodextrinas (vermelho). .. 65 Figura 29- Curvas termogravimétricas obtidas para as quatro amostras analisadas, representando a percentagem de perda mássica (Pm) em função da temperatura (T). ... 68 Figura 30- Curvas termogravimétricas, representando a percentagem de perda mássica (Pm) em função da temperatura (T) assim como a derivada em ordem ao tempo (DTG), obtidas as amostras:

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xv Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Figura 31- Curva de calibração das -CDs ligadas às fibras de algodão, mostrando o inverso da variação da absorvência (1/Abs) em função do inverso da concentração de CDs (1/CCDs). ... 72 Figura 32- Espetro de FTIR-ATR do algodão funcionalizado (preto) por comparação com os espetros de algodão puro (azul) e de ciclodextrinas (vermelho). ... 75 Figura 33- Esquema experimental sugerido pela literatura (em cima) e esquema experimental utilizado no ensaio experimental realizado (em baixo) (adaptado de Wacker, 2013)... 77 Figura 34- Resultados obtidos para as áreas de limoneno (Alimoneno), em TPOs com e sem ciclodextrinas, em função do volume de limoneno adicionado (Vlimoneno). ... 78 Figura 35- Curva de calibração para a percentagem mássica de CDs (mCDs) nas TPOs em função da absorvência (AbsMA). ... 80 Figura 36- Espetros de FTIR-ATR para as TPOs funcionalizadas com 1 % de ciclodextrinas (1) e com 9 % de ciclodextrinas (2) por comparação com as TPOs controlo (azul) e as ciclodextrinas (vermelho). ... 82

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xvii Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Índice de tabelas-

pág. Tabela 1- Distribuição de agentes encapsulantes segundo a sua origem e alguns exemplos destes

(adaptado de Brasileiro, 2011) ... 12 Tabela 2- Propriedades físicas e químicas das CDs mais comuns, (adaptado de Andreaus et al., 2010) ... 14 Tabela 3- Estratégias de fixação das CDs em fibras e outros polímeros (adaptado de Andreaus et al., 2010) ... 24 Tabela 4- Quantidades de reagentes utilizados na preparação dos monómeros ... 34 Tabela 5- Quantidades dos componentes utilizados na formulação do material poroso, nomeadamente, massa do monómero (mmonómero), volume de DMF (VDMF), volume de TEOS (VTEOS), concentração (CNaOH) e volume de NaOH (VNaOH ) ... 35 Tabela 6- Quantidade dos reagentes utilizados para a preparação das nanoesponjas, nomeadamente, volume de NaOH (VNaOH), massa de ciclodextrinas (mciclodextrinas), volume de epicloridrina (VEpicloridrina) e o volume de EtOH (VEtOH) ... 36 Tabela 7- Reagentes, e suas respetivas quantidades, nomeadamente, a massa de algodão (malgodão), a concentração de NaOH (CNaOH), a massa de ciclodextrinas (mciclodextrinas), o volume de NaOH (VNaOH) e o volume de epicloridrina (Vepicloridrina), utilizados no processo de funcionalização de substratos têxteis com ciclodextrinas……….37 Tabela 8- Quantidades utilizadas na formulação de laca utilizada no processo de revestimento………..38 Tabela 9- Condições de operação do ensaio de SHS-GC-MS ... 39 Tabela 10- Massa de ciclodextrinas (mCDs) e volume de limoneno (Vlimoneno) utilizados no procedimento de GC-MS ... 40 Tabela 11-Massas medidas para cada uma das amostras analisadas……….49 Tabela 12-Resultados do UV-VIS para cada uma das amostras 51 Tabela 13-Resultados obtidos para as áreas superficiais específicas (SBET) dos conjugados analisados ……….. ………52 Tabela 14-Valores de massa do resíduo a 950 °C (mresíduo) e temperatura de início de degradação (Tinicio de degradação) para cada uma das amostras analisadas ... 67

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Tabela 15-Percentagens de perdas massa parciais (Pm) obtidas através das curvas termogravimétricas obtidas para os conjugados analisados ... 70 Tabela 16- Resultados obtidos para o algodão funcionalizado antes e após o 5º e 10º ciclo de lavagem ... 72 Tabela 17-Resultados obtidos para os testes de solidez à lavagem até 20 ciclos de lavagem……….74 Tabela 18-Monitorização do cheiro a fumo de tabaco para as três amostras de algodão………77 Tabela 19- Representação das massas de revestimento aplicadas (Mlaca+CDs), por unidade de área (A), para cada percentagem de ciclodextrinas aplicadas à TPO ... ………..79 Tabela 20- Resultados referentes à (AbsMA), para cada uma das TPOs funcionalizadas………81 Tabela 21- Monitorização do odor a fumo de tabaco para as três amostras de termopoliolefinas com 1 % de ciclodextrinas ... 84 Tabela 22- Monitorização do cheiro a fumo de tabaco para as três amostras de poliolefinas com 9 % de ciclodextrinas ... 84 Tabela 23- Resultados de UV-VIS para as termopoliolefinas com e sem funcionalização com ciclodextrinas ... 85

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xix Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Lista de abreviaturas

-CDs- Alfa-ciclodextrinas

-CDs- Beta-ciclodextrinas

-CDs- Gama-ciclodextrinas

AFM- Microscopia de força atómica ANS- Ácido 8-anilino-naftaleno-1-sulfónico APC- Ácidos policarboxílicos

B.E.T- Método de Brunauer, Emmet e Teller CD- Ciclodextrina

CDs- Ciclodextrinas

CITEVE-Centro Tecnológico Têxtil e Vestuário COVs- Compostos orgânicos voláteis

DMF- Dimetilformaldeído DSC- Calorimetria diferencial EtOH- Etanol

FID- Detetor de ionização de chama

FTIR-ATR- Espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e com refletância total atenuada MCT- Monoclorotrazínico PA- Poliamida PAN- Poliacrilonitrila PES- Poliéster PO-Poliolefinas PP- Polipropileno

RMN- Ressonância magnética nuclear SEM- Microscopia eletrónica de varrimento SHS-GS-MS-Cromatografia gasosa com headspace estático acoplada com espetrometria de massa

TEOS- Tetraetil-ortosilicato TGA- Termogravimetria THF-Tetrahidrofurano

TPO- Poliolefinas termoplásticas

UV-VIS- Espetroscopia de ultravioleta-visível XPS- Espetroscopia de fotoeletrões de raio X XRD- Espetroscopia de difração de raios GC- Cromatografia gasosa

GC-MS- Cromatografia gasosa acoplada com espetrofotometria de massa

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

I. Introdução

I.1.

Enquadramento e motivação do trabalho

O presente trabalho decorreu na empresa CeNTI (Centro de Nanotecnologia e Matérias Técnicos, Funcionais e Inteligentes), localizada em Vila Nova de Famalicão, e foi realizado no âmbito da UC Dissertação em Engenharia Biológica do 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Biológica. O trabalho desenvolvido no CeNTI insere-se fundamentalmente no desenvolvimento de fibras multicomponentes, materiais inteligentes/dispositivos, revestimentos multifuncionais, eletrónica orgânica e sistemas embebidos. O corrente trabalho fundamenta-se essencialmente na continuação de um estudo já iniciado pelo CeNTI, no que concerne à funcionalização de algodão e de TPOs com agentes encapsulantes, e pretende que sejam desenvolvidas metodologias que comprovem esta funcionalização e que possibilitem a deteção e quantificação de odores e aromas incorporados nestes substratos. Relativamente à escolha dos aromas, o aroma selecionado correspondeu ao limoneno visto já terem sido efetuados alguns testes na empresa deste com ciclodextrinas e devido também ao facto deste possuir elevado grau de pureza e elevada volatilidade. No que se refere à escolha dos odores foi selecionado o odor a tabaco pelo facto de que se trata de um odor incomodativo e fortemente presente no quotidiano.

A deteção e quantificação de odores tem sido há muito tempo aplicada em inúmeras atividades, desde as mais regulares, como as domésticas, até aos processos de escala industrial. Tal, pode funcionar como um indicador de perigo ou de funcionamento regular de uma determinada atividade.

O desenvolvimento de métodos de deteção e quantificação cada vez mais eficazes é particularmente importante no que se refere a compostos cujo limiar de deteção seja inferior ao limite máximo de deteção do nariz humano. Atualmente têm emergido diversos métodos aplicados para este fim, sendo que, o método mais aceite atualmente correspondente ao método de cromatografia gasosa acoplada com a espetrometria de massa (GC-MS).

A preocupação com a estética e a saúde tem tido implicações no surgimento no mercado de produtos com novas funcionalidades. Nomeadamente, a funcionalização de têxteis, assim como de superfícies poliméricas rígidas, com propriedades tais como a encapsulação do odor a tabaco e a libertação de aromas e perfumes tem sido particularmente inovador. Assim sendo, a síntese de agentes encapsulantes com diversas propriedades e capazes de encapsular odores e aromas e o

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desenvolvimento de processos direcionados para a formação de ligações covalentes destes a diversos substratos constitui uma temática inovadora e de curial interesse.

O presente trabalho proporcionou o entendimento aprofundado fundamentalmente em diversas áreas científicas, nomeadamente da Química pela formulação de agentes encapsulantes, pelo estudo das ligações destes a substratos e pela utilização de diversas metodologias na caracterização dos mesmos e da Engenharia Têxtil e de Polímeros pelo estudo do comportamento de substratos têxteis (algodão) e superfícies poliméricas rígidas (TPOs) relativamente aos processos de funcionalização.

I.2. Objetivos e estrutura do relatório

O objetivo deste projeto insere-se no desenvolvimento de métodos de deteção e quantificação de odores incorporados em substratos flexíveis (algodão) e rígidos (termopoliolefinas, TPOs). Desta forma, este desdobra-se ainda em dois objetivos específicos: a preparação de substratos com capacidade de captação (absorção) de odores ou a libertação (desabsorção) de aromas, nomeadamente a captação de odor a tabaco e a libertação gradual de limoneno, e o desenvolvimento de métodos capazes de detetar e quantificar tal capacidade.

Neste relatório de dissertação incluem-se 6 capítulos: Introdução, Estado de Arte, Técnicas experimentais, Materiais e Métodos, Resultados e Discussão e Considerações finais.

No Capítulo I é feita uma breve introdução, constituída pelo enquadramento e motivação do trabalho assim como pela estrutura e objetivos da dissertação.

No Capítulo II inclui-se a exposição de alguns conceitos teóricos contextualizados com o trabalho assim como o levantamento do estado de arte acerca de trabalhos congéneres. De uma forma geral é feito um levantamento e descrição conceptual de métodos de deteção e quantificação de odores, são referidos alguns exemplos de agentes encapsulantes para odores e é feita também uma descrição de alguns substratos de ligação para os mesmos.

No Capítulo III encontram-se descritas, de forma clara e objetiva, as técnicas experimentais utilizadas no decorrer do trabalho experimental, nomeadamente a cromatografia gasosa acoplada com espetroscopia de massa (GC-MS), a espetrometria de ultravioleta-visível (UV-VIS), a espetroscopia de infravermelho por refletância total atenuada (FTIR-ATR), a análise termogravimétrica e o método de B.E.T.

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No Capítulo IV são apresentados os materiais e metodologias, isto é, a lista de reagentes e equipamentos utilizados, bem como os procedimentos aplicados na preparação de amostras e controlos.

No Capítulo V são apresentados os resultados obtidos e a sua respetiva discussão. Posto isto, são expostos os resultados referentes à caracterização de agentes encapsulantes e dos substratos de ligação dos mesmos e são ainda apresentados os resultados referentes à deteção e à quantificação de odores e aromas nos substratos funcionalizados.

Por último, no Capítulo VI são apresentadas as principais conclusões obtidas assim como as sugestões propostas para possíveis trabalhos futuros.

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II. Estado de Arte

II.1. Métodos de deteção e quantificação de odores

Pela perceção humana (sistema olfativo), os odores podem ser classificados segundo cinco propriedades específicas, tais como a intensidade, o grau de agressividade (desconforto ou toxidade causado pelo odor), a frequência, o caráter e a duração. Embora a perceção humana consiga detetar um odor de forte intensidade, não consegue suportá-lo por um longo período de tempo. Isto pode ser explicado pelo facto de que os humanos têm um limiar para a frequência e duração do odor, sendo que quando esta linha de tolerância é excedida, o odor torna-se incómodo. Contudo, estes limites variam de pessoa para pessoa, sendo que os procedimentos de medição de odor comum a todos englobam fundamentalmente a intensidade e a agressividade. Do ponto de vista da saúde humana, a exposição temporal é uma medida crucial para prever qualquer efeito negativo causado pelo odor, sendo que tal engloba a frequência e a duração, bem como a concentração-intensidade (Powers, 2004; Verein Deutsche Ingenieur, 1986).

Apesar da perceção humana desempenhar um importante papel na determinação de situações potencialmente perigosas, como é o caso das botijas de gás domésticas, cujo odor é introduzido propositadamente na mistura para a deteção de fugas, esta não é suficientemente eficaz para detetar e discernir uma mistura composta por odores. Existem odores que só são percecionados pelos humanos em concentrações muito elevadas, como é o caso do clorometano. O clorometano é um gás incolor e altamente inflamável, com um odor levemente doce, cuja deteção humana só ocorre em níveis potencialmente tóxicos (percetível a elevadas concentrações). É fundamentalmente por estas razões que existe uma preocupação frequente em identificar a presença ou ausência de um odor assim como a sua quantificação (Bratolli et al., 2011; PLANITOX, 2012; Powers, 2004; Zhang et al., 2002).

II.1.1. Métodos de uso corrente

Alguns dos maiores desafios existentes na metodologia atual para a deteção e quantificação de odores prendem-se com a utilização da perceção humana para essa avaliação, devido ao que foi referido anteriormente. Estudos efetuados nesta área revelam que a resposta de um indivíduo pode sofrer até três variações num dia, possivelmente devido à influência de fatores como o estado de saúde e o humor. A variabilidade na sensibilidade do indivíduo baseada no conceito de “fadiga de

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odor” é também um conceito a ter em conta na avaliação odorífera pelos mesmos. O conceito de “fadiga de odor” refere-se a uma condição temporária na qual um indivíduo se acostuma a um odor ao ponto de já não detetar/diferenciar. Cada indivíduo possui uma acuidade característica ao odor, sendo que, embora os métodos existentes tentem minimizar esta variabilidade a diferença no sentido de cheiro de cada um é um fator a ter em conta nos métodos de avaliação humana (Powers, 2004).

De entre os métodos atualmente existentes sublinham-se os métodos de diluição limiar, referenciais e de classificação.

II.1.1.1. Métodos de diluição para limiar

Os métodos de diluição para limiar baseiam-se essencialmente na diluição de uma amostra de odor em atmosfera inodora (azoto ou ar filtrado), diluente, num certo número de níveis sendo que a estes níveis correspondem séries de diluições que são apresentadas por ordem crescente de concentração de odor. A partir de um nível para o outro a diluição diminui e a quantidade de ar com odor aumenta. Após atingido o limite de deteção, o examinador continua a avaliação no próximo nível ou dois níveis acima para garantir que a identificação não foi feita ao acaso. Alguns exemplos de equipamentos que utilizam por base este método e que já existem no mercado são o Scentometer e o NasalRanger (baseado nos mesmos princípios do Scentometer) e o Olfatómetro (Bratolli et al., 2011; Powers, 2004; Zhang et al., 2002).

Na figura 1 encontram-se representados um Scentometer, um NasalRanger e um Olfatómetro.

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Figura 1- Representação de um Scentometer (esquerda), de um NasalRanger (direita) e de um Olfatómetro (em baixo) (Coast River-Business Journal, 2013; Odournet, 2013).

II.1.1.2. Métodos Referenciais

Este método baseia-se na utilização de diferentes quantidades de 1-butanol como padrão para cada amostra de odor para comparação de intensidades, utilizando-se um painel humano. Em média, as concentrações de 1-butanol são frequentemente de 0 mg/L a 80 mg/L. À medida que a concentração de 1-butanol é alterada, a amostra de odor é comparada com a mesma para ser determinada a que concentração de 1-butanol é que a intensidade de odor é equivalente. É de referir que o uso de 1-butanol como padrão é largamente aceite como prática comum na Europa e tem sido incorporado em instrumentação portátil assim como à escala laboratorial (Powers, 2004; Zhang et al., 2002).

II.1.1.3. Métodos de Classificação

Neste método, o odor pode ser avaliado através da utilização de examinadores que classifiquem as amostras a partir de uma escala arbitrária que atribui intensidade ou agressividade e ausência de odor ou inexistência de agressividade a uma amostra de odor. Tipicamente, as escalas utilizadas variam entre 0 a 10, no qual 0 indica ausência de odor ou agressividade e 10 odor intenso

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ou agressivo. Tais métodos utilizam tanto odor adsorvido em algodão como numa amostra líquida que tenha sido diluída (Powers, 2004; Zhang et al., 2002).

II.1.2. Limitações dos métodos de uso corrente

De todos os métodos apresentados, a medição da concentração de odor por diluição para limiar é o método mais direto e objetivo. Contudo, em cada um dos métodos o nariz humano é usado como detetor, estando assim o fator de subjetividade sempre inerente. O uso de um método de escolha forçada, tal como o que ocorre nos Olfatómetros, em que o indivíduo deve simplesmente identificar a presença ou ausência de um odor, é geralmente um método melhor do que a classificação, devido ao facto de que o nariz humano não consegue distinguir pequenas diferenças entre níveis de intensidade (Powers, 2004).

II.1.3. Métodos emergentes

Atualmente têm-se desenvolvido métodos de deteção e quantificação de odores que não tenham a influência da subjetividade humana a fim de serem fornecidas informações objetivas e o mais exatas possível. De forma a identificar e quantificar o odor, a cromatografia gasosa com espetroscopia de massa (GC-MS) tem sido o método aplicado de forma mais frequente (Powers, 2004; Zhang et al., 2002).

Alguns investigadores têm procurado também aliar os métodos de deteção e quantificação de caráter objetivo com os de caráter subjetivo da análise humana, contudo ainda não existe uma metodologia única e aceite de forma comum entre a comunidade científica embora já existam tecnologias que incluam estes dois conceitos tais como o nariz eletrónico (electronic nose), a técnica de GC-MS-0, que consiste essencialmente na cromatografia gasosa acoplada com espetroscopia de massa, cuja coluna cromatográfica está acoplada, em paralelo, a um espetrómetro de massa e a um olfatómetro e a técnica de GC-O ou GC-sniffing que consiste na existência de uma coluna cromatográfica acoplada a um olfatómetro. Particularmente, a técnica de GC-MS-O permite ao analista percecionar o odor correspondente a um determinado tempo de retenção e à sua intensidade, comparando os resultados obtidos com os resultados da espetroscopia de massa, para que seja possível identificar os odores presentes na amostra e compreender a sua relação de intensidade e limite de perceção pelo nariz humano (Bratolli et al., 2011).

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II.1.3.1.

Electronic nose

(

E-nose

)

Investigações avançadas têm sido conduzidas no sentido de se desenvolver a tecnologia electronic nose (e-nose), que pode simular o nariz dos mamíferos. Os electronic noses são fabricados sob base de vários princípios operacionais de deteção e sensibilidade, contudo, as etapas elementares da tradução de sinal, do processamento de sinal e da identificação de padrões químicos destes apresentam diversas variações do sistema olfativo natural (Sindhuja et al., 2012).

Atualmente, os e-noses são divididos em duas classes, os óxidos de metais e os polímeros condutores, sendo que esta divisão é conseguida pelo facto de que estes dois tipos de materiais (ambos sensores químicos) serem os mais frequentemente utilizados nestes dispositivos (Ryan et al., 2004).

Estes dispositivos, de uma forma genérica, são constituídos por um material químico sensível a uma ou várias espécies químicas em contacto com um material transdutor (dispositivo que transforma um tipo de energia noutro), que por sua vez estão ligados a um circuito eletrónico que gera um sinal. Na figura 2 encontra-se representado um esquema de funcionamento de um sensor químico utilizado nos e-noses.

Figura 2- Esquema de funcionamento de um sensor químico utilizado nos e-noses (adaptado de Ryan et al., 2004).

A partir da análise da figura 3 verifica-se que o funcionamento de um e-nose se baseia na alteração de um material por um sinal exterior, que por sua vez provoca uma alteração no meio, e na conversão desta alteração num sinal elétrico por meio de um transdutor. Este sinal eletrónico é posteriormente interpretado por um sistema eletrónico acoplado ao sistema (Ryan et al., 2004).

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II.1.3.2. Cromatografia gasosa e espetroscopia de massa (GC-MS)

As técnicas de cromatografia gasosa com headspace acoplada com espetroscopia de massa (GC-MS) dividem-se essencialmente em dois tipos: headspace estático e dinâmico. A principal diferença entre estas refere-se ao facto de que a segunda não necessita de solventes e possui uma maior sensibilidade.

O GC-MS é uma técnica analítica com elevada sensibilidade e exatidão na análise de amostras, nomeadamente de amostras com volatilidade relativamente elevada. A coluna cromatográfica possibilita a separação de componentes voláteis de uma amostra e o detetor de massa possibilita a identificação e quantificação dos mesmos.

Esta técnica possui também algumas limitações tais como a baixa resolução para amostras com uma elevada complexidade de odores (relacionado com o elevado número de espécies químicas presentes num odor); o elevado custo dos equipamentos, estando assim restritos a uma pequena gama de compradores, e o facto de que esta não consegue evidenciar os diferentes odores detetados e quantificados na perceção humana (como exemplo, podem ser detetados odores com uma concentração reduzida mas que possam ser facilmente detetados pela perceção humana (Bratolli et al., 2011). Na figura 3 encontra-se representada uma ilustração de um equipamento de cromatografia gasosa acoplada com um espetrómetro de massa.

Figura 3- Ilustração de um equipamento de cromatografia gasosa acoplada com um espetrómetro de massa (adaptado de LC GC’s Chromacademy, 2013).

6. Interface 11. Controlo eletrónico Detetor MS

9. Detetor 5. Coluna

Técnica separativa GC

2. Controlo pneumático Bomba 10. Sistema de vácuo

8. Analisador de massas 7. Fonte de iões

4. Forno Injeção de amostras 1. Fornecedor de gás Detetor/ Amplificador De 3. Injetor

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Cromatografia gasosa com

headspace

estático

No decorrer da análise quantitativa, na cromatografia gasosa com headspace estático não é necessária a remoção completa dos componentes voláteis da amostra pelo facto de que apenas é necessária uma reduzida fração da concentração de equilíbrio na fase de vapor para a quantificação do componente em questão. De forma geral, os princípios base desta técnica consistem essencialmente, (i) no estabelecimento do equilíbrio térmico entre a amostra e a fase gasosa, (ii) na extração do componente volátil e (iii) na injeção do mesmo na coluna cromatográfica (Bratolli et al., 2011; Hognadóttir e Rouseff, 2003; Neto, 2012).

Cromatografia gasosa com

headspace

dinâmico

Esta técnica, ao contrário da anteriormente referida, contempla o uso de um fluxo de gás de arraste (inerte) através do vial da amostra com o objetivo de volatilizar a amostra que chega à coluna de GC (tal faz com que esta técnica possua uma maior sensibilidade relativamente ao headspace estático). Em vez de ser atingido o equilíbrio no interior do vial, a amostra é aquecida e a atmosfera dentro do recipiente sofre uma constante purga para uma “trap”. Nesta mesma “trap” os compostos voláteis são armazenados, devido à condensação dos mesmos, visto esta “trap” se encontrar refrigerada com fluido criogénico e, em simultâneo, o gás de arraste é ventilado. No final desta etapa, a amostra é aquecida com refluxo, para permitir que os compostos adsorvidos sejam injetados na coluna cromatográfica. Esta técnica não necessita de solventes pelo que no cromatograma irá apenas constar o sinal correspondente à substância que se pretende analisar (Neto, 2012).

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II.2. Agentes encapsulantes para odores

Atualmente existem compostos químicos, nomeadamente conjugados, que conseguem encapsular um variado número de compostos, tais como odores e aromas. Desta forma, às classes de conjugados que conseguem encapsular diversos compostos podem ser designados de agentes encapsulantes.

Um agente encapsulante é selecionado tendo em conta diversos fatores, tais como as propriedades físicas e químicas do agente ativo, da aplicação pretendida e do método a aplicar para formar as micropartículas. De acordo com Suave et al. (2006), um agente encapsulante ideal deve apresentar baixa viscosidade em concentrações elevadas e ser de fácil manipulação durante o processo; deve apresentar baixa higroscopicidade de forma a facilitar a manipulação e evitar a aglomeração; não deve ser reativo com o material a encapsular; deve possuir capacidade de isolar e reter o material ativo dentro da estrutura da cápsula; deve libertar por completo o solvente ou outros materiais utilizados no decorrer do processo de encapsulação; deve proporcionar uma máxima proteção ao material ativo contra condições adversas, como luz, pH, oxigénio e ingredientes reativos; deve apresentar solubilidade em solventes usados de forma comum; deve conter propriedades desejadas de libertação do material ativo; não deve apresentar sabor desagradável no caso de consumo oral e por último, e não menos importante, deve ser económico.

Os agentes encapsulantes podem ter proveniências diversificadas que vão desde a origem natural, à semissintética ou sintética. Na tabela 1 encontram-se representados alguns exemplos de agentes encapsulantes segundo a sua origem e alguns exemplos destes.

Tabela 1- Distribuição de agentes encapsulantes segundo a sua origem e alguns exemplos destes (adaptado de Brasileiro, 2011)

Agentes encapsulantes segundo a origem Exemplos

Naturais/Orgânicos

Gelatina; goma ágar-ágar; alginato de sódio; alginato de cálcio; dextrano; quitosano; sacarose e ciclodextrinas.

Semi-sintéticos/Semi-inorgânicos

Acetato de celulose, nitrato de celulose; etilcelulose; hidroxipropilose; metilcelulose; carboximetilcelulose de sódio; mono, di e triestearato de glicerina. Sintéticos/Inorgânicos Polímeros de ácido acrílico e copolímeros.

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II.2.1. Ciclodextrinas - estrutura, propriedades e aplicações

As ciclodextrinas (CDs) são oligossacáridos de origem natural obtidos a partir de fontes não poluentes. Estas apresentam uma estrutura tridimensional com uma cavidade hidrofóbica e um exterior hidrófilo, o que permite a formação de complexos de inclusão hidrossolúveis com uma grande variedade de moléculas (Andreaus et al., 2010; Venturini et al., 2008).

Modificações químicas nas CDs naturais, como a introdução de um grupo reativo, aumentam a sua aplicabilidade para diversos fins como por exemplo a ligação permanente a substratos poliméricos, flexíveis ou rígidos, (Andreaus et al., 2010).

Entres os agentes encapsulantes existentes, as CDs ocupam um lugar de destaque devido sobretudo ao facto de a sua produção ser económica e realizada em larga escala (o que permite a sua utilização a nível industrial). Um outro fator que torna as ciclodextrinas bastante atrativas é a reduzida toxicidade e a possibilidade de serem empregues como auxiliares na conceção de fármacos, alimentos, cosméticos, têxteis funcionais entre outras aplicações (Andreaus et al., 2010).

As CDs são moléculas cíclicas compostas por unidades de -D-(+)-glucopiranose unidas por ligações -1,4. A sua morfologia consiste essencialmente num anel cilíndrico cónico truncado cujos grupos hidroxilo secundários estão situados na parte onde o diâmetro do anel é maior e os grupos hidroxilo primários na parte onde o anel é menor. Dependendo do número de unidades glucosídicas na molécula de CD, os anéis assumem diâmetros internos de diferentes tamanhos ciclodextrinas (Andreaus et al., 2010; Drunkler et al., 1999; Venturini et al., 2008).

Na figura 4 encontram-se representadas as estruturas das ,  e ciclodextrinas.

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As CDs naturais com maior importância e comercialmente fornecidas por diversos fabricantes são as ,  e , cujas estruturas são formadas por 6, 7 e 8 unidades de D-(+)-glucopiranose, respetivamente. Existem também CDs maiores com 9 (CD) a 13 ou até mais unidades de D-(+)-glucopiranose que correspondem a macrociclos elíticos com estrutura cíclica distorcida. Todavia, atualmente, não existem tecnologias eficientes para a produção de CDs com mais de 8 unidades de glucose a nível industrial e em quantidades maiores (Andreaus et al., 2010). As propriedades físico-químicas mais importantes das CDs de 6 a 9 unidades glucosídicas encontram-se representadas na tabela 2.

Tabela 2- Propriedades físicas e químicas das CDs mais comuns, (adaptado de Andreaus et al., 2010)

CD CD CD CD

Unidades de glucose 6 7 8 9

Massa molecular, M/(g/mol) 922,86 1135,01 1297,15 1459 Diâmetro externo, De/Å 14,6 ± 0,4 15,4 ± 0,4 17,5 ± 0,4

Diâmetro da cavidade, Dc/Å 4,7 a 5,3 6,0 a 6,5 7,5 a 8,3 Altura do cone, Hc/Å 7,9 ± 1 7,9 ± 1 7,9 ± 1

Rotação específica, /° 150,5 ± 0,5 162,5 ± 0,5 177,4 ± 0,5 191 ± 3 Ponto de fusão (decomp.) 1, P

f/°C 278 298-300 267 Solubilidade em água, S/(mol/L) 0,114a

0,138b

0,016 a

0,019 b 0,179

a Alta

Moléculas de água na cavidade 6 11 17 Fração mássica da água de

cristalização, Acr/%

10,2 13 a 15 8 a 18

a- _{a 25 °C}b-_{a 30 °C; decomp.- ocorre decomposição}

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Apesar da ótima capacidade de encapsulamento por parte das ciclodextrinas, estas apresentam algumas limitações, sendo que uma das mais relevantes se prende com o facto de a sua cavidade ser da ordem dos angström, isto é, muito pequena, e assim, a gama de moléculas que pode formar complexos de inclusão com estas fica limitada. A polaridade é também um fator a ter em conta quando se pretende que a encapsulação seja bem sucedida. Moléculas orgânicas apolares ou com extremidade apolar podem ser incorporadas como moléculas hóspedes nas cavidades das CDs, originando assim um complexo de inclusão. Contudo, dependendo da relação entre as partes hidrofóbicas e hidrófilas que entram em contacto com a água, poderá ocorrer precipitação do complexo. De acordo com Andreaus et al., (2010), as hipóteses mais aceites para justificar a formação de complexos de inclusão com as CDs correspondem às interações hidrofóbicas, dipolo-dipolo, fatores de dispersão assim como fatores estereoquímicos. Em solução aquosa, a cavidade apolar das CDs hidrossolúveis, responsáveis pela formação da matriz hidrofóbica, é ocupada por moléculas de água numa interação polar-apolar energeticamente desfavorável, que por sua vez, são facilmente substituíveis por moléculas hóspedes menos polares do que a água. A força motriz da formação do complexo corresponde à substituição das moléculas de água, de entalpia elevada, por uma molécula hóspede apropriada (Andreaus et al., 2010; Rekharsky e Inove, 1998; Stella e He, 2008; Szejtli, 1998).

As CDs podem também formar complexos no estado sólido, sendo que, nos complexos sólidos se observa um arranjo hospedeiro:hóspede. Contudo, nos complexos formados em solução, a molécula incluída possui mais mobilidade (Andreaus, et al., 2010).

Geralmente, a relação hospedeiro:hóspede é de 1:1, porém associações como 2:1, 1:2, 2:2 ou outras estequiometrias, já foram relatadas na literatura (Andreaus et al., 2010).

As CDs naturais servem de base para a síntese de diversos derivados das mesmas, tais como as CDs metiladas ou hidroxipropiladas, conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas, conjugados solúveis de ciclodextrinas, tais como epicloridrina--CD, entre outros. Segundo Oliveira et al., (2009), relativamente às CDs metiladas, estas são sintetizadas tendo em conta que modificações introduzidas provocam a diminuição do grau de substituição molar das mesmas mas que por outro lado tornam este tipo de CDs em moléculas de elevado poder solubilizante. Outros derivados dispõem de grupos catiónicos, hidrofóbicos ou de um grupo reativo igual aos corantes reativos, que por sua vez podem ser aplicados na modificação de substratos celulósicos ou sintéticos. A presença de um grupo reativo num derivado das CDs facilita a fixação permanente da CD a superfícies poliméricas como fibras de algodão, papel

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ou outros polímeros naturais e sintéticos. Uma das CDs modificadas, mais recorrente é a que contem o grupo reativo monoclorotriazinil--ciclodextrina (MCT), este grupo encontra-se presente em muitos corantes reativos usados frequentemente no tingimento de fibras celulósicas, facilitando assim a reação de fixação das ciclodextrinas a diferentes substratos têxteis (Cabrales et al., 2012; Denter et al., 1997; Khan et al., 1998; Oliveira et al., 2009; Reuscher e Hirsenkorn, 1996; Ruppert et al., 1997; Sá, 2008).

Cada molécula de CD possui 2 a 3 grupos reativos (grupos hidroxilo) por cada anel glucosídico. Estes grupos possibilitam assim a formação de ligações covalentes estáveis com grupos nucleófilos, como OH, NH e SH, permitindo a fixação permanente da CD a superfícies poliméricas, a fibras têxteis sintéticas e naturais como o algodão, lã, poliéster (PES), poliamida (PA) e poliacrílicas. Estes derivados de CD podem também ter aplicações como agentes ligantes ou até bloco de construção para a formação de novos conjugados. Na figura 5 encontra-se representada a estrutura dos monómeros dos conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas.

Figura 5- Estrutura dos monómeros dos conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas (adaptado de Liu et al., 2004).

II.2.2. Métodos de determinação da capacidade de encapsulação de odores

No processo de encapsulação de odores é necessário ter em consideração o facto de que os complexos de inclusão adquirem características diferentes daquelas que possuem na sua fase isolada, ou seja, antes da ocorrência da sua complexação com agentes encapsulantes. Do ponto de

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vista teórico, qualquer técnica que possua aptidão para detetar tais diferenças é passível de auxiliar na perceção dos mecanismos de encapsulação, deteção e quantificação decorrentes do processo formação de complexos de inclusão (Neto, 2012).

Outro aspeto importante a ter em conta relaciona-se com o estado físico da amostra devido ao fato de que amostras em solução serem caracterizadas por técnicas distintas das amostras no estado sólido.

As técnicas atualmente desenvolvidas para o estudo da complexação de agentes encapsulantes com complexos de inclusão em solução têm obtido resultados positivos, contudo quando os agentes encapsulantes se encontram em estado cristalino estas técnicas apresentam bastantes limitações (Neto, 2012; Sansukcharearnpon et al., 2010).

Os métodos frequentemente empregues na caracterização e determinação da encapsulação ou complexação do composto de inclusão em estado sólido incluem os métodos de análise térmica, nomeadamente a análise termogravimétrica (TGA), a cromatografia gasosa acoplada a um detetor de ionização de chama (FID) e a calorimetria diferencial de varrimento (DSC); as técnicas espetrofotométricas, fundamentalmente a espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), sendo que embora estas sejam técnicas bastante rápidas e precisas, possuem muitas limitações maioritariamente devido ao facto de que as alterações envolvidas no processo de complexação serem muito reduzidas e induzirem assim a formação de desvios pequenos nas bandas. Existem outras técnicas descritas na literatura que auxiliam na caracterização morfológica dos agentes encapsulantes tais como SEM e o método de B.E.T., sendo que a aplicação dessas técnicas possibilitam um estudo mais pormenorizado dos mesmos (Cao et al., 2005; Cunha-Filho et al., 2006; Iliescu et al., 2004; Neto, 2012; Singh et al., 2010).

Em todos os processos de fixação de agentes encapsulantes em fibras têxteis e outros polímeros é importante ter em consideração o facto de que a maior parte das moléculas imobilizadas devem estar acessíveis para complexar com as potenciais moléculas hóspedes. Posto isto, é relevante que se proceda à caracterização e quantificação dos agentes encapsulantes fixos a uma superfície/substrato sólido ou o estudo da sua capacidade para formar complexos de inclusão. Os métodos anteriormente citados apresentam muitas limitações quando aplicadas neste contexto sendo que por isso surge a necessidade de se desenvolverem outros métodos. A informação disponível na literatura sobre os métodos aplicados neste contexto é ainda muito reduzida sendo que após um levantamento das técnicas de caracterização existentes, aquelas que reuniram um maior consenso de aplicação foram a técnica de cromatografia gasosa com headspace estático (citado no

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ponto II.1.3.2.1.) e o uso da fenolftaleína conjuntamente com a técnica de UV-VIS (Denter et al., 1997; Neto, 2012).

Outras metodologias cuja aplicabilidade também parece ser muito eficaz baseiam-se na formação de complexos de agentes encapsulantes com reagentes facilmente analisáveis. No caso particular das ciclodextrinas, substâncias fluorescentes como o ácido 8-anilino-naftaleno-1-sulfónico (ANS), corantes como o vermelho de fenol ou o iodo indicam as cavidades das CDs ligadas ao substrato que se encontram disponíveis para a complexação. A utilização destes compostos obedece fundamentalmente a um processo que implica que uma quantidade definida de substrato, particularmente substratos têxteis, seja imersa numa solução da molécula hóspede até que seja atingido o equilíbrio entre a solução e o substrato. A solução é posteriormente sujeita a análise por métodos espetrofotométricos antes e depois da imersão e a quantidade de ciclodextrinas acessível para a complexação pode assim ser determinada. (Denter et al., 1997; Knittel et al., 2005; Voncina et al., 2005).

II.2.2.1. Métodos de deteção de agentes encapsulantes em superfícies

As técnicas de GC enunciadas no ponto II.1.3.2. podem fornecer uma medida indireta para a quantificação de agentes encapsulantes após a criação de um complexo de inclusão com um aroma ou outra molécula facilmente detetável no detetor do cromatográfico. Uma solução para contornar esta situação compreende a utilização de um agente que ao complexar com os agentes encapsulantes altere facilmente uma propriedade de verificação fácil, como por exemplo a mudança de cor (Neto, 2012).

A fenolftaleína é um agente amplamente utilizado para esta finalidade. Normalmente possui a funcionalidade de ser indicador de pH, mudando de um rosa forte (pH básico) para incolor (pH ácido). Este indicador de pH integra ainda a particularidade de complexar com as CDs e de formar um complexo de inclusão que ao ser formado torna a solução incolor caso esta esteja num meio ligeiramente alcalino.

Para que seja comprovada a presença ou ausência de ciclodextrinas na superfície de um substrato é necessário que seja efetuado um teste experimental que passa pela colocação de uma gota de solução de fenolftaleína ligeiramente alcalina no substrato e verificar se a solução de fenolftaleína fica incolor. É importante referir que para assegurar que o pH não sofre variação é necessário que a preparação da solução de fenolftaleína ocorra num meio tamponado. Salienta-se

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também que este teste fornece apenas informações relativas à presença de ciclodextrinas e não contempla a análise quantitativa das ciclodextrinas presentes no substrato. Para tal, é necessário o desenvolvimento e otimização de um método utilizando a capacidade de formação de complexos de inclusão das ciclodextrinas. Em alternativa a este, pode-se aplicar um método de espetroscopia com radiação ultravioleta-visível (UV-VIS) para que desta forma, se possa proceder à quantificação, embora que indireta, das ciclodextrinas presentes na superfície do substrato. Este método possui algumas vantagens relativamente a outros métodos de quantificação indireta de ciclodextrinas, tais como a cromatografia gasosa, devido ao facto de ser simples, eficiente e económico (Cadena et al., 2009; Uyar et al., 2009).

Na figura 6 encontra-se representada a estrutura resultante decorrente do processo de encapsulação da fenolftaleína por parte das ciclodextrinas e de um derivado das mesmas, nomeadamente das ciclodextrinas metiladas.

Figura 6-Ilustração do encapsulamento da fenolftaleína por parte das ciclodextrinas (-CD) e das ciclodextrinas metiladas (M--CD) (adaptado de Oliveira, 2012).

.

-CD

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II.3. Substratos de ligação a agentes encapsulantes

A fixação de agentes encapsulantes em vários materiais tem potenciado o aparecimento de substratos flexíveis (algodão, poliéster) e rígidos (termopoliolefinas, poliuretano) com novas funcionalidades.

No setor têxtil, atualmente, para as mais diversas aplicações dos substratos convencionais, não pode ser afirmado que exista um número elevado de alternativas em termos de novas funcionalidades. Todavia, o mesmo não poderá ser dito relativamente aos substratos técnicos. Estes cada vez mais estão a adquirir aplicações que outrora seriam somente aplicáveis aos setores da Siderurgia ou dos Plásticos, como é o caso das aplicações no setor Automóvel, Aeronáutica, Construção Civil, Eletrónica ou até na área Médica (Machado, 2008).

Devido ao facto de que se verificou um crescimento mundial e um acréscimo da ativação e funcionalização de substratos, em grande parte através de descargas plasmáticas, as necessidades de proteção ambiental e de saúde aumentaram. Tal facto fez aparecer novos mercados direcionados para a sustentabilidade de produtos, nomeadamente, para a ecologia e economia da matéria-prima usada. Particularmente, na área têxtil cada vez mais têm sido utilizados produtos auxiliares, como exemplo as ciclodextrinas, que obedeçam a certos critérios tais como a utilização em baixas concentrações, serem biodegradáveis, e não afetarem os parâmetros de qualidade dos efluentes têxteis. Isto é também particularmente importante pelo facto de que a indústria têxtil cada vez mais não se tem confinado somente à parte do vestuário e decoração mas também abrange uma infinidade de aplicações, em especial na área técnica e funcional (Abidi e Hequet, 2004, 2005; Abidi et. el, 2007 e 2009; Buschmann et al., 2001; Machado, 2008; Oliveira, 2012; Szejtli, 2003 e 2004). Os substratos de ligação a agentes encapsulantes, orgânicos ou inorgânicos, podem ser flexíveis, como por exemplo têxteis (naturais ou sintéticos) ou rígidos como superfícies poliméricas, madeira, cerâmica, metais, entre muitos outros.

II.3.1. Substratos flexíveis - substratos têxteis ou poliméricos flexíveis

Os substratos flexíveis para encapsulação, além de outros, podem englobar os substratos têxteis e outros polímeros flexíveis.

Os substratos têxteis podem ser divididos em dois grupos denominados de fibras têxteis naturais e sintéticas. As fibras naturais mais utilizadas correspondem às celulósicas e às proteicas.

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As primeiras englobam o algodão e o linho e as segundas a seda e a lã. Por sua vez as fibras sintéticas incluem a viscose, o acetato de celulose, a poliamida, o poliéster e a acrílica.

Todos estes substratos podem ser tingidos numa larga gama de cores e possuir propriedades diversas de solidez à lavagem, podendo assim ser utilizados num vasto conjunto de produtos têxteis. O desenvolvimento de fibras contempla principalmente duas categorias, a estrutura e a geometria. Muitas fibras químicas possuem propriedades de uso que, em alguns campos, superam as funcionalidades das fibras naturais, de entre as quais a elevada resistência à rutura, o reduzido poder de absorção da humidade e a estabilidade durante o tratamento húmido (por exemplo, durante o processo de lavagem). Contudo, a maior vantagem das fibras artificiais relaciona-se com a possibilidade destas poderem apresentar características texturais e de brilho pretendidas, resistência antibacteriana e/ou antivírica, resistências às chamas, absorção de água, resistência do material, volume, entre outras (Carreira, 2006; Sá, 2008).

II.3.1.1. Algodão

O algodão insere-se no grupo dos substratos têxteis naturais e a morfologia das fibras denota uma certa complexidade. A fibra de algodão apresenta uma cutícula ou parede celular relativamente hidrofóbica, contendo alguma celulose, gorduras e ceras. Para tornar as suas fibras mais absorventes as ceras e as gorduras são removidas durante um processo de separação (lavagem e branqueamento).

A reatividade da celulose é orientada por grupos funcionais presentes na sua estrutura química e nas interações físicas entre as cadeias do polímero. A presença de regiões amorfas e cristalinas na fibra de celulose é um fator determinante da acessibilidade dos agentes químicos aos grupos reativos (Broadbent, 2001; Ingamells, 1993).

A existência de um nível relativamente elevado de absorção de água e de boas propriedades texturais, tais como a suavidade, das fibras de algodão proporcionam uma sensação de conforto ao usuário. Devido aos grupos hidroxilo da celulose, o algodão adquire uma grande afinidade para a água, sendo que tal é visível quando em contacto com a água o tecido aumenta de volume (Sá, 2008).

No vestuário, o algodão proporciona critérios como a sensação de conforto, a facilidade de secagem, a durabilidade das cores e a facilidade de manutenção. Um dos aspetos desfavoráveis deste têxtil insere-se na propensão de fios que causam o encolhimento, fácil amarrotamento e a

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perda de fibrilhas durante as lavagens (devido a ser uma fibra descontínua). Hoje em dia existem já estudos sobre acabamentos que diminuam estas desvantagens, tais como a aplicação de acabamentos anti-encolhimento (Sá, 2008).

II.3.2. Substratos rígidos

Os substratos rígidos correspondem a um conjunto de materiais que possuem uma reduzida ou até quase nula flexibilidade em condições de pressão e temperatura normais. Dentro destes destacam-se os metais (ferro, cobre, alumínio, prata), as cerâmicas, as madeiras, as cortiças, alguns polímeros como o poliuretano e as poliolefinas, entre muitos outros.

Atualmente, o interesse por se possuir uma certa superfície com características desejáveis tem aumentado gradualmente, nomeadamente na Industria Madeireira e de Polímeros. Muitos setores, como por exemplo a restauração e a área hospitalar, teriam um interesse acrescido em possuir superfícies que contivessem funcionalidades tais como a autolimpeza e a proteção microbiana. Com o crescente desenvolvimento tecnológico tem-se vindo a revolucionar as propriedades destas superfícies através da sua funcionalização, de forma a tornar reais tais funcionalidades.

Neste trabalho, o substrato rígido utilizado foi a termopoliolefina (TPO), que se trata de um polímero bioinerte, hidrofóbico, com elevada massa molar e que quando ligado a um suporte o método de fixação mais utilizado corresponde ao método mecânico, contudo pode ser também utilizada em sistemas independentes (Brito et al., 2011).

II.3.2.1. Termopoliolefinas (TPOs)

As poliolefinas constituem uma classe muito importante na área dos polímeros comerciais. A apolaridade das suas cadeias alifáticas confere características que vão desde a baixa absorção de corantes à baixa dispersão em materiais compósitos (Maurano et al., 1998).

A funcionalização destes polímeros, também designada de graftização ou enxertia, tem sido amplamente utilizada a fim modificar as suas propriedades, contribuindo assim para o aumento do seu número de aplicações. Um dado relevante refere-se ao facto de que as poliolefinas representam 60 % da produção mundial de termoplásticos, dentro dos quais 40 % se referem aos polietilenos (Martins, 2011 e Maurano et al., 1998).

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Na figura 7 encontram-se ilustrados alguns produtos cuja constituição contém, entre muitos outros compostos, poliolefinas.

Figura 7- Produtos que utilizam poliolefinas no seu processamento (adaptado de Martins, 2011).

II.3.3. Funcionalização de substratos

A modificação ou funcionalização de fibras e superfícies poliméricas tem vindo a ocupar um lugar com cada vez mais destaque nos têxteis. As modificações podem atribuir novas propriedades a estes materiais, otimizando o seu desempenho em aplicações convencionais e abrindo novos campos de aplicação para os mesmos (Andreaus et al., 2010).

A ligação temporária ou permanente de macromoléculas, como CDs, a fibras têxteis ou outros materiais poliméricos, possibilita a modificação ou funcionalização da superfície destes e a alteração das suas propriedades. A fixação temporária ocorre de forma geral através de interações fracas, enquanto a funcionalização permanente exige o estabelecimento de interações fortes como ligações covalentes. Particularmente, na ligação permanente existem fundamentalmente duas estratégias que compreendem (1) a utilização de derivados de CD com grupo reativos capazes de reagir com o substrato e (2) a utilização de agentes reticulantes com intermediários que promovam a ligação CD-substrato sem comprometer o desempenho das mesmas enquanto agentes encapsulantes (Andreaus et al., 2010 e Oliveira, 2012).

Em fibras têxteis, principalmente quando usadas em artigos de vestuário, as modificações devem ser resistentes às repetidas lavagens e secagens (solidez às lavagens). Dependendo do tipo de fibra são realizadas lavagens a pH neutro ou alcalino (pH> 10), em temperaturas até 60 °C e com detergentes contendo surfatantes não iónicos, aniónicos, oxidantes entre outros. Na tabela 3 encontram-se apresentadas algumas estratégias de fixação de CDs em fibras e outros polímeros.