Extracção e caracterização de constituintes da bananeira "Dwarf Cavendish"

Abstract

O principal objectivo deste trabalho é o de contribuir para o conhecimento da composição química e das características estruturais de alguns componentes da bananeira ‘Dwarf Cavendish’. Dada a grande abundância dos resíduos produzidos após a colheita do fruto, diferentes partes morfológicas da planta foram alvo de estudo, em particular as folhas (nervuras/pecíolos e limbos), o pseudo-tronco (bainhas foliares e talo floral) e o ráquis. A composição das cinco partes morfológicas foi analisada sumariamente. Os componentes das cinco partes morfológicas em estudo foram isolados segundo a metodologia específica para os extractáveis, polissacarídeos e lenhina. Os extractáveis lipofílicos foram analisados por GC-MS antes e após hidrólise alcalina. As hemiceluloses foram caracterizadas por RMN de 1H e GPC. As lenhinas foram caracterizadas por análise elementar, determinação de grupos metoxilo, oxidação com permanganato e nitrobenzeno, FTIR, RMN CP/MAS de 13C, UV, Py-GC/MS, RMN de 13C e 1H e GPC. Em termos de composição química as várias partes morfológicas revelaram diferenças significativas. A maioria das fracções apresenta como constituinte maioritário a holocelulose, com excepção do talo floral que apresenta como componente mais abundante o amido. De entre as partes morfológicas com teor superior em celulose destacam-se as bainhas foliares assim como as nervuras/pecíolos e o ráquis. Relativamente aos outros componentes, destacam-se os elevados teores de cinzas e de extractáveis, em particular no talo floral e no ráquis e o baixo teor em lenhina na maioria das partes, com excepção dos limbos. A composição dos monossacarídeos indica que as hemiceluloses das várias regiões morfológicas apresentam estruturas distintas. As hemiceluloses A (HA) deverão ser constituídas essencialmente por glucuronoxilanas e arabinoglucuronoxilanas. Em relação às hemiceluloses B, na maioria das regiões morfológicas, a xilose e a glucose são os monossacarídeos maioritários, indicando a presença de xiloglucanas, α-arabinanas e de arabinoxiloglucanas. Paralelamente, a análise por RMN de 1H revela a presença de ácido 4-O-metil-α-D-glucurónico, que sugere a existência de ácidos urónicos nas amostras em questão, em particular nas hemiceluloses A das nervuras/pecíolos, dos limbos e do ráquis. As várias partes morfológicas e em particular os limbos (5%) apresentam teores significativos de extractáveis lipofílicos. As famílias maioritárias nos extractos em diclorometano são as dos ácidos gordos e esteróis, seguidas pelas dos álcoois alifáticos e compostos aromáticos. Alguns destes compostos foram identificados em ambas as formas livre e esterificada assim como na forma de glucosídeos. O elevado aumento no teor de ácidos gordos e de ácido ferúlico livres após a hidrólise alcalina dos extractos lipofílicos, sugere que uma fracção substancial destes compostos deverá estar envolvida em ligações do tipo éster, embora a quantidade de compostos esterificados detectados nas várias regiões morfológicas não justifique o aumento verificado. Uma explicação possível é a existência de ligações éster com estruturas de elevado peso molecular do tipo cutina e/ou suberina, não detectáveis por GC-MS. As lenhinas das várias partes morfológicas da ‘Dwarf Cavendish’ foram isoladas por acidólise suave, método este que demonstrou ser mais adequado para o estudo de caracterização estrutural de lenhinas deste tipo de plantas comparativamente com o método de Björkman, do qual resultaram baixos rendimentos e lenhinas altamente contaminadas por hidratos de carbono e extractáveis. Para obtenção de uma lenhina com maior pureza, o método de isolamento mais apropriado consiste no método de acidólise modificado (com renovação de solvente) aplicado ao material de partida com pré-extracção alcalina. O facto das lenhinas, mesmo após purificação, se apresentarem contaminadas por compostos alifáticos, em particular as dos limbos, das bainhas foliares e do talo floral, reforça a ideia que estas deverão encontrarse ligadas quimicamente nos tecidos celulares a componentes do tipo cutina/suberina, provavelmente por ligações éster via resíduos de ácidos hidroxicinâmicos. As lenhinas das várias partes morfológicas são do tipo HGS, com a lenhina do ráquis a apresentar o teor mais elevado de unidades S, os limbos e o talo floral de unidades G e o talo floral, bainhas foliares e ráquis de unidades H. Paralelamente às unidades do tipo H, G e S, os estudos realizados mostram que as várias lenhinas apresentam na sua composição ácidos hidroxicinâmicos, nomeadamente unidades terminais de ácido p-cumárico, as quais se encontram envolvidas maioritariamente em ligações éster quer com a lenhina quer com compostos alifáticos. As lenhinas das nervuras/pecíolos e ráquis possuem as mais altas proporções de estruturas não condensadas com grupo hidroxilo fenólico livre. Por outro lado, a abundância de estruturas do tipo β-O-4 é significativamente inferior nas lenhinas dos limbos e talo floral, comparativamente com as restantes fracções. A título de conclusão, os resultados deste trabalho demonstram que as diferentes partes morfológicas da bananeira em estudo apresentam características químicas e estruturais distintas, implicando a sua utilização da forma mais racional e mais eficiente, uma separação prévia das várias fracções, consoante a aplicação industrial a dar.

The main goal of this work is to contribute to the knowledge of the chemical composition and the structural characterization of several components of banana plant ‘Dwarf Cavendish’. Due to the high abundance of residues produced after the harvesting of banana, different morphological fractions of the plant were studied such as the foliage (petioles/midrib and leaf blades), pseudo-stem (leaf sheaths and floral stalk) and rachis. The chemical composition of these fractions was studied. The components of the studied morphological regions were isolated by specific established methods for extractives, polysaccharides and lignin. Lipophilic extractives were analysed by GC-MS before and after alkaline hydrolysis. Hemicelluloses were characterized by 1H NMR and GPC. Lignins were characterized by elemental analysis, methoxyl groups content, permanganate and nitrobenzene oxidations, FTIR, 13C NMR CP/MAS, UV, Py- GC/MS, 13C and 1H RMN and GPC. The chemical composition of the various morphological regions revealed significative differences. In the majority of the morphological fractions holocellulose was the major component, except for floral stalk that presents starch as the most abundant one. The morphological regions with a high content of cellulose are petioles/midrib and rachis. High contents of ashes and extractives were observed, mainly in floral stalk and rachis, whereas lignin was detected in small amounts in almost the fractions, except in leaf blades. The chemical analysis of monosaccharides suggested that the isolated hemicelluloses should have different structures. Hemicelluloses A (HA) seem to be constituted essencially by glucuronoxylans and arabinoglucuronoxylans. Hemicelluloses B, otherwise, due to the presence of higher amounts of xylose and glucose should be constituted by xyloglucans, α-arabinans and arabinoxyloglucans. The 1H NMR analysis revealed the presence of 4-Omethyl- α-D-glucuronic acid, existence of uronic acids in the samples, particularly in hemicelluloses A of petioles/midrib, leaf blades and rachis. All the morphological fractions presented a high content of extractives, namely leaf blades (5%). The major families in the dichloromethane extracts were fatty acids and sterols, followed by long chain aliphatic alcohols and aromatic compounds. Some of these compounds were identified in the free and esterified forms as well as glucosides. The significant increase in the ferulic and fatty acids content after the alkaline hydrolysis, suggest that a fraction of these compounds should be involved in ester linkages. However, the amount of esterified compounds present in the various morphological regions does not fully explain this raise. A possible explanation is the existence of ester linkages with non-volatile high molecular weight suberin or cutin type structures, not detected by GC-MS. The lignins of the various morphological regions of ‘Dwarf Cavendish’ were isolated by the acidolysis method. This method when compared with the Björkman one, where low yields and lignins contaminated by carbohydrates and extractives were obtained, proved to be more suitable to the structural study of the lignin. In order to obtain a lignin with a higher purity degree, the most appropriate isolation procedure involve the acidolysis method (with solvent renovation) applied to the alkaline pre-extracted material. The contamination of the purified lignins by aliphatic compounds, suggests that these lignins, particularly the leaf blades, leaf sheaths and floral stalk lignins should be probably chemically linked in cellular tissues by ester linkages to components of the kind of cutin/suberin, through hydroxycinnamic acid residues. The lignins of the various morphological regions are of HGS type, with rachis lignin richer in S units, leaf blades and floral stalk in G units and floral stalk, leaf sheaths and rachis in H units. These lignins presented also hydroxycinnamic acids, namely terminal p-coumaric acid units, which are mostly involved in ester linkages with lignin and aliphatic compounds. Petioles/midrib and rachis lignins have the highest proportions of noncondensed structures with a free phenolic hydroxyl group. On the other hand, the abundance of β-O-4 structures is significantly lower in leaf blades and floral stalk lignins. The results of this work show that the different morphological regions of ‘Dwarf Cavendish’ present distinct chemical and structural characteristics. Their reutilization can be more rational and efficient if these fractions are previously separated, according to the required industrial application.