INTERAÇÃO MACROMOLECULAR E SEPARAÇÃO DE
FASES EM SISTEMAS AQUOSOS DE POLIELETRÓLITOS
COM CARGA OPOSTA
João P. T. A. Guerra1*, Ismael C. Bellettini1, Klaiani B. Fontana1, Leandro G. Nandi1, Renato Eising1, Samuel de
M. Modolon1, Edson Minatti1
1 POLISSOL, Laboratório de Polímeros e Surfactantes em Solução, Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Química, 88040-900, Florianópolis, SC, Brasil – joaovantol@hotmail.com
Neste trabalho foi investigada a ocorrência de autoassociação entre o poliânion xantana (XT) e o policátion polietilenoimina (PEI) em meio aquoso em função da temperatura. Os estudos foram feitos utilizando soluções dos polímeros no regime diluído, de acordo com a concentração de overlap determinada por viscosimetria. O método turbidimétrico foi utilizado para caracterizar a segregação de fases nas misturas em conseqüência da formação de coacervados. O diagrama de fase para o sistema pseudobinário XT-PEI a pressão atmosférica mostrou uma curva típica de sistemas com temperatura crítica inferior de solução. Através de medidas de fluorescência de pireno observou-se que ocorre interação macromolecular mesmo em regimes sem separação de fases
Palavras-chave: polieletrólito, xantana, polietilenoimina, coacervado, fluorescência
Macromolecular interaction and phase separation in aqueous systems of oppositely charged polyelectrolytes
The self-assembly of the polyanion xanthan (XT) and the polycation polyethileneimine (PEI) in aqueous medium as a function of temperature was investigated. The studies were performed using polymeric solutions within the dilute regime, according to the overlap concentration measured by viscosimetry. The turbidimetric method was used to characterize the phase segregation in mixtures as consequence of coacervate formation. The phase diagram for the XT-PEI pseudobinary system at atmospheric pressure showed a curve typical for systems with lower critical solution temperature. Through analysis of pyrene fluorescence was observed that the macromolecular interaction occur even in regimes without phase separation.
Keywords: polyelectrolyte, xanthan, polyethyleneimine, coacervate, fluorescence
Introdução
A polietilenoimina é um polieletrólito neutro, mas que se torna catiônico em água; apresenta em sua forma linear somente grupos aminos secundários e em sua forma ramificada grupos aminos primários, secundários e terciários.1
Xantana é um polissacarídeo extra celular aniônico produzido pela bactéria Xanthomonas
campestris. Sua cadeia principal é baseada numa estrutura de β-D-glicoses com ligações 1→4; na
posição C(3) de cada resíduo alternado de glicose existe uma cadeia lateral trissacarídica negativamente carregada contendo um resíduo de ácido glucurônico entre duas unidades de manose. A cadeia rígida resultante pode existir na forma de hélice simples, dupla ou tripla e interage com outras moléculas de polímero para formar um complexo.2 Xantana tem muitas aplicações industriais tais como espessante, e estabilizante de suspensões e emulsões nas indútrias de papel e têxtil.3
forças de interação polímero-polímero e polímero-solvente (efeitos entálpicos) e do tamanho e estrutura dos polímeros (efeitos entrópicos).4 Coacervação é o processo em que uma solução homogênea de polímeros passa por uma separação em duas fases líquidas imiscíveis: uma fase com o coacervado (rica em polímeros) e uma fase diluída. A fase diluída permanece em equilíbrio com a fase do coacervado.5,6
O processo de coacervação é classificado em simples ou complexo dependendo do número de macromoléculas envolvidas. Coacervação simples se baseia na adição de um soluto, normalmente sal ou álcool, enquanto que a coacervação complexa se baseia em interações associativas entre duas macromoléculas. Uma solução contendo dois polieletrólitos de carga oposta pode passar por coacervação simplesmente pela atração eletrostática entre as macromoléculas.7 Existem diversas aplicações de coacervados. Aplicações tecnológicas englobam os campos de purificação de água, adesivos, revestimentos e biotecnologia. Por exemplo, sensores de DNA estão sendo preparados baseados na complexação de moléculas alvo de DNA (aniônicas) com polieletrólitos catiônicos sintéticos, Outras potenciais aplicações na biotecnologia referem-se à liberação controlada de drogas e terapia genética.8
Interações envolvendo polissacarídeos são de interesse em diversas áreas científicas e encontram muitas aplicações a nível biológico e nas indústrias alimentícia, cosmética e farmacêutica. A funcionalidade de biopolímeros individuais pode ser melhorada por interações sinergísticas entre diferentes biopolímeros, refletindo na estabilidade, textura e vida de prateleira de muitos produtos alimentares. Neste contexto, diferentes métodos têm sido aplicados, tendo em vista a compreensão da natureza, força e dinâmica molecular de tais interações.9 Espectroscopia de fluorescência tem mostrado-se como uma técnica bastante versátil para a investigação da estrutura e propriedades de macromoléculas. Pireno tem sido amplamente utilizado como sonda fluorescente para interações macromoleculares.10 O espectro de fluorescência do pireno em concentrações baixas (<1 x 10-6) em soluções homogêneas possui uma estrutura em que a intensidade relativa entre os picos I1 e I3 sofrem uma significante perturbação ao passar de um meio polar para um meio apolar.
A razão da intensidade de fluorescência da banda vibracional de energia mais alta (I1) e a terceira
banda vibracional de mais alta energia (I3) é usada para correlacionar com a polaridade do meio.
Neste trabalho, primeiramente realizamos análises turbidimétricas para caracterizar a coacervação entre xantana, um polissacarídeo, e polietilenoimina linear, um polímero sintético biocompatível, ambos hidrossolúveis, e então propomos o uso do pireno como sonda fluorescente para investigar as interações entre ambos em regime sem separação de fases.
Materiais e reagentes
A xantana, a polietilenoimina e o pireno utilizados eram de procedência da Sigma Aldrich, sendo que somente a xantana necessitou de purificação prévia para a realização das análises. Para tal foi seguido o método usual para purificação de polieletrólitos.11 Inicialmente foi preparada uma solução aquosa da xantana com concentração 1 g.L-1 e deixada sob agitação magnética suave por 12 horas. A seguir foi feita filtração para retirar sólidos em suspensão. Foram utilizados filtros de nylon com porosidade decrescente (8 µm e 0,8 µm). Ao filtrado foi adicionado excesso de NaCl (100 g.L-1) sob agitação magnética e, então, adicionou-se etanol na proporção volumétrica 1:1 para efetuar troca de contraíons divalentes (Ca2+) obtendo-se o polímero na forma de sal de sódio, totalmente insolúvel em água nestas condições. Em seguida o precipitado foi filtrado em funil de vidro sinterizado e solubilizou-se novamente a xantana para uma segunda precipitação como descrito anteriormente. Então lavou-se a xantana com misturas de etanol/H2O e etanol puro (70:30, 80:20, 90:10 e 100:00 v/v). Por último o material foi colocado num dessecador para evaporação do solvente.
Método turbidimétrico
Foram preparadas soluções estoque de xantana em concentrações na faixa de 0,01 g.L-1 a 0,10 g.L-1. A partir destas soluções foram preparadas misturas XT-PEI com concentração de PEI entre 0,01 g.L-1 e 10 g.L-1.
As medidas de turbidimetria para os sistemas XT-PEI foram realizadas em um espectrofotômetro UV/Visível de arranjo de diodos da Hewlett Packard, modelo 845A, acoplado a um banho de água termostatizado Micro Química MQBTC 99-29. Para cada sistema PEI-XT mediu-se a transmitância da solução numa cubeta de quartzo como função do comprimento de onda, tendo como parâmetro uma transmitância de 65% em 360 nm para caracterizar separação de fases. O procedimento foi realizado numa faixa de temperaturas de 5ºC a 95ºC.
Método fluorimétrico
Uma solução de 10-6 mol.L-1 de pireno foi preparada a partir de uma solução estoque de 10-3 mol.L-1 de pireno em etanol. Esta solução diluída foi então utilizada para preparar uma solução de 0,1 g.L-1 e 0,2 g.L-1 de xantana e 0,0467 g.L-1 de PEI. Para certificar-se de que os dados
experimentais eram determinados em uma situação de equilíbrio do sistema, todas as soluções poliméricas foram preparadas rotineiramente com agitação magnética suave por 12 horas.
Os espectros de fluorescência estacionária do pireno foram determinados em um espectrofluorímetro Hitachi F-4500 equipado com uma cela de quartzo de 10 milímetros termostatizada a 25,0 ºC sob agitação magnética. As fendas de excitação e emissão do monocromador foram ajustadas para 2,5 nm. As amostras foram excitadas em 336 nm e os espectros de emissão foram corridos de 360 a 500 nm. A razão I1/I3 foi estimada analisando a
relação da intensidade máxima do pico em 372,8 nm (I1) e 384,0 nm (I3).
Resultados e Discussão
Tendo em vista a inexistência de referências bibliográficas acerca da separação de fases em sistemas de xantana e PEI, inicialmente foi necessário estabelecer uma faixa de concentrações ideal para cada polímero. Para isso realizou-se o estudo turbidimétrico em sistemas contendo ambos os polímeros, com concentração de xantana entre 0,01 g.L-1 e 0,10 g.L-1 e concentração de PEI entre 0,5g.L-1 e 10 g.L-1. A figura 1 mostra o perfil de turvamento para as misturas dos polieletrólitos, exibindo áreas vermelhas para composições turvas (em decorrência da segregação de fases) e áreas verdes para composições límpidas.Esta análise inicial do sistema fornece algumas informações. Partindo da hipótese inicial de que aumentando a concentração de um dos polieletrólitos, e mantendo-se o regime diluído, a interação aumentará; a ressolubilização do coacervado em concentrações altas de PEI pode ser explicada pelo ganho de carga elétrica por parte deste agregado macromolecular.
Figura 1. Gráficos de superfície com 100 - %T em 360 nm em função da composição do sistema para seis diferentes temperaturas. Outra informação que os gráficos de superfície fornecem diz que as interações com o solvente são mais fracas que as interações entre os polímeros em altas temperaturas, de modo que ocorra separação de fases em uma faixa maior de concentrações. Este tipo de comportamento é comum em sistemas aquosos de polímeros que apresentam interação do tipo ligação de hidrogênio com a água, como é o caso da xantana e do PEI. Os diagramas de fases de polímeros em água apresentam, normalmente, temperatura crítica inferior de solução, Tci. O aumento da temperatura
diminui a qualidade do solvente, pois o aumento do movimento térmico das moléculas enfraquece as interações polímero-solvente. Há de se considerar, também, o fator cinético: o aumento da temperatura deve aumentar exponencialmente a freqüência de colisões entre as cadeias dispersas na solução.
A figura 2 mostra o diagrama de fase para o sistema XT-PEI, construído pelo critério de 65% de transmitância em 360 nm para caracterizar segregação de fases. Cada curva binodal denota as condições termodinâmicas para coacervar o sistema; na área sobre cada curva existem duas fases, ao passo que na área sob a curva a coacervação é termodinamicamente impedida. O sistema apresentou uma curva binodal típica de sistemas com temperatura crítica inferior de solução, como já era prevista pela Fig. 1, que também indica que o aumento de xantana aumenta a interação entre os polieletrólitos. Não foi possível determinar a temperatura crítica inferior de solução, pois a faixa de temperatura do solvente líquido a pressão atmosférica não foi suficientemente ampla para investigar a dissolução do coacervado. Nota-se também que o processo de coacervação ocorre numa ampla faixa de concentração de PEI.
Figura 2. Diagrama pseudobinário de temperatura contra a concentração de PEI para 0,08 g.L-1 e 0,10 g.L-1 de XT.
A figura 3 mostra o espectro de fluorescência obtido utilizando o pireno como sonda fluorescente em soluções contendo concentração elevada de xantana em relação à concentração PEI. Observa-se a clara mudança de intensidade das bandas com a adição de PEI em presença de xantana devido à formação de agregados macromoleculares que inibem a fluorescência do pireno.
0,00 0,01 0,02 3 4 5 6 7 8 9 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 XT 0,08 g.L-1 XT 0,10 g.L-1 T , ºC [PEI], g.L-1
360 380 400 420 440 460 480 500 0 20 40 60 80 100 120 140 In te n s id a d e d e F lu o re s c ê n c ia λ, nm PEI 10 mg.L-1 XT 100 mg.L-1 XT 100 mg.L-1 + PEI 0,1 mg.L-1 XT 100 mg.L-1 + PEI 1,0 mg.L-1 XT 100 mg.L-1 + PEI 10 mg.L-1
Figura 3. Espectro de fluorescência do pireno em soluções de xantana, polietilenoimina e misturas de ambos
polieletrólitos.
A figura 4 mostra o gráfico da razão entre as bandas I1 e I3 conforme adiciona-se PEI. Ele
fornece a informação de que o pireno quando em misturas de xantana e PEI tende a passar para um meio mais apolar à medida que adiciona-se PEI, fato inexistente quando não há xantana na solução. Pode-se dizer que mesmo no regime homogêneo há interação entre os polieletrólitos, porém não a ponto de ocorrer separação de fases, e estes agregados macromoleculares envolvem de alguma forma o pireno num ambiente apolar.
1E-4 1E-3 0,01 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 sem xantana com xantana 100 mg.L-1 I1 /I3 cPEI, g.L-1
A figura 5 mostra o espectro de fluorescência obtido utilizando o pireno como sonda fluorescente em soluções contendo concentração elevada de PEI em relação à concentração xantana. Assim como antes é observada a mudança de intensidade das bandas com a adição de xantana em presença de PEI devido à formação de agregados macromoleculares que inibem a fluorescência do pireno. 360 380 400 420 440 460 480 500 0 10 20 30 40 50 60 70 In te n s id a d e d e F lu o re s c ê n c ia λ, nm XT 0,1 g.L-1 PEI 2 g.L-1 PEI 2 g.L-1 + XT 0,001 g.L-1 PEI 2 g.L-1 + XT 0,01 g.L-1 PEI 2 g.L-1 + XT 0,1 g.L-1
Figura 5. Espectro de fluorescência do pireno em soluções de xantana, polietilenoimina e misturas de ambos
polieletrólitos.
A figura 6 mostra a variação da razão entre as bandas I1 e I3 em função da adição de xantana.
Este fornece a informação de que o pireno, quando em soluções contendo apenas xantana, tende a passar para um meio mais apolar à medida aumenta-se a concentração do polieletrólito. Este fato pode ser atribuído a interações macromoleculares entre as moléculas do polissacarídeo, possivelmente envolvendo transições conformacionais de hélice simples, dupla ou tripla. Uma difusão lenta da xantana também pode explicar este comportamento do pireno; a ausência de sal permite a formação de agregados de xantana devido à presença de regiões mais densas. Em presença de excesso de PEI a interação entre os polieletrólitos de carga oposta é favorecida, porém não ocorre mudança de polaridade no meio.
1E-3 0,01 0,1 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 sem polietilenoimina com polietilenoimina 2 g.L-1 I1 /I3 cXT, g.L-1
Figura 6. Gráfico da razão das intensidades das bandas I1 e I3 versus concentração de xantana.
Conclusões
Através da análise criteriosa de medidas turbidimétricas foi possível comprovar a autoassociação entre xantana e polietilenoimina em solução aquosa. Os coacervados formados mostraram um comportamento característico de sistemas com temperatura crítica inferior de solução. Observou-se que o excesso de PEI possibilita a redissolução dos coacervado.
A análise de fluorescência do pireno mostrou que a formação de agregados macromoleculares ocorre até mesmo em regimes em que um dos polímeros está em excesso em relação ao outro e a interação não é suficientemente forte para promover a separação de fases. Agradecimentos
À Universidade Federal de Santa Catarina e ao CNPq pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas
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