Obtención y estudio de superficies lignocelulósicas modelo - Espionsa Domínguez, Sergio Ulises (Universidad Autónoma Metropolitana, 2010)
En el presente trabajo se produjeron y estudiaron superficies lignocelulósicas modelo, con potencial para realizar estudios sistemáticos de las interacciones enzimasuperficie, necesarios para comprender los factores que afectan la actividad enzimática. Para ello, primero se obtuvieron soluciones de celulosa microcristalina (por sonicación) y lignina kraft (por agitación) en tetrahidrofurano (THF), a temperatura ambiente. Posteriormente, las soluciones se caracterizaron mediante espectroscopías de ultravioleta visible (UV-vis) y de Infrarrojo por Transformada de Fourier (IR-TF), donde se observó distinta conformación de los biopolímeros, posiblemente ocasionada por las condiciones de solubilización. Utilizando estas soluciones, se estudió el comportamiento fisicoquímico y morfológico de películas de Langmuir de celulosa, lignina y mezclas de ambos polímeros, utilizando isotermas de presión superficial vs área por molécula (P-A) y Microscopía de Ángulo de Brewster (MAB). La película de Langmuir de celulosa, se esparce espontáneamente en la interfase aire-agua, con un área molecular específica (AE) de 490 ± 96 Å2 por molécula, y una compresibilidad (C) relativamente alta, de 0.033 ± 1x10-3 m mN-1. Ésta película es estable a ciclos de recompresión, y mostró una morfología de gránulos y poros. La película de Langmuir de lignina no se esparce espontáneamente. Presentó un AE = 35.46 ± 0.66 Å2 por molécula, y una compresibilidad, C = 0.029 ± 1.53x10-3 m mN-1. Esta película es menos estable a ciclos de recompresión y muestra una morfología parecida a la observada para la celulosa, pero con agregados relativamente grandes (» 50 mm 2 ) de material expulsado de la interfase. Finalmente, la película de Langmuir de mezcla celulosa:lignina (50:50 p/p) presentó un AE = 189 ± 14 Å2 por molécula, y un valor de C = 0.028 ± 0.03 m mN-1. Esta película es estable a ciclos de recompresión, y mostró una morfología de gránulos y poros. La película de Langmuir de lignina no se esparce espontáneamente. Presentó un AE = 35.46 ± 0.66 Å2 por molécula, y una compresibilidad, C = 0.029 ± 1.53x10-3 m mN-1. Esta película es menos estable a ciclos de recompresión y muestra una morfología parecida a la observada para la celulosa, pero con agregados relativamente grandes (» 50 mm 2 ) de material expulsado de la interfase. Finalmente, la película de Langmuir de mezcla celulosa:lignina (50:50 p/p) presentó un AE = 189 ± 14 Å2 por molécula, y un valor de C = 0.028 ± 0.03 m mN-1. Esta película es estable a ciclos de recompresión, y muestra una morfología que presenta agregados del orden de 200 µm2 , presumiblemente de mezcla lignocelulósica. Todas las películas lignocelulósicas producidas presentan solamente una fase condensada, no presentan colapso, y muy probablemente forman multicapas. Por otra parte, los biopolímeros mostraron un comportamiento miscible en la interfase aire-agua, como se observó utilizando el concepto de área en exceso (Aex). Las películas de Langmuir obtenidas resultaron ser adecuadas para realizar depósitos en un substrato sólido (silica funcionalizada con 3-aminopropiltrimetoxisilano), mediante la técnica de depósito de Langmuir-Schaefer (LS), a una presión superficial de P=10 mN m-1. La morfología y la topología de estas superficies fue estudiada con Microscopía de Fuerza Atómica (MFA). Esta técnica mostró que se generaron superficies modelo de celulosa relativamente planas (rms » 2.25 nm), homogéneas, sin orientación, y que presentan una estructura de agregados de aproximadamente 30-50 nm2 . Las superficies de lignina fueron menos rugosas (rms » 1.36 nm) y no presentaron estructura ni orientación. Las superficies de mezcla celulosa:lignina (70:30 p/p) presentaron una rugosidad de aproximadamente 2.43 nm y presentan una estructura similar a la observada para celulosa, pero con agregados de mayor tamaño (» 200 nm2 ). Finalmente, se analizaron las propiedades de estabilidad de las superficies lignocelulósicas modelo con la Microbalanza de Cuarzo con Disipación (MBC-D). La superficie modelo de celulosa tiene una masa de » 75 ngCelulosa y presenta un grosor de » 2.43 nm, es estable en agua, y no presenta hinchamiento, mismo que puede ser generado con un incremento en la fuerza iónica del medio, sin modificar su rigidez. La superficie modelo de lignina tiene una masa de » 46 ngLignina, y presenta un grosor de » 1.7 nm, presenta un hinchamiento importante en agua, y se disuelve al aumentar la fuerza iónica. Por su parte, la superficie modelo con una mezcla celulosa:lignina (70:30), tiene una masa de mezcla de » 84 ngMezcla, y presenta un grosor de » 5.31 nm. Esta superficie mostró un comportamiento de hinchamiento similar al de la superficie de celulosa, pero es más sensible a los cambios de fuerza iónica, respecto a su hinchamiento y rigidez, que la de celulosa.; In this work, lignocellulosic model surfaces were obtained and studied. These surfaces are a potential useful tool that allows enzyme-surface interactions studies, in a reproducible and controlled way, to get a better understanding of the controlling factors of such interactions. In order to do this, firstly, solutions of microcrystalline cellulose (prepared by sonication) and kraft lignin (prepared by agitation) in tetrahydrofuran (THF) at room temperature were obtained. These solutions were characterized by means of Fourier-Transform Infrared (FTIR) and ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopies. Different biopolimers configurations were observed, possibly due to solubilization conditions. Using these solutions, physicochemical and morphological properties of Langmuir films of cellulose, lignin and their mixtures were studied using surface-pressure vs area per molecule (P-A) isotherms and Brewster Angle Microscopy (BAM). It was observed that cellulose Langmuir film spreads spontaneously at the air-water interface, with a specific molecular area (AS) of 490 ± 96 Å2 /molecule, and a relatively high compressibility (C) of 0.033 ± 1x10-3 m mN-1. This film showed stability in recompression-cycles and displays a porous-granular morphology. Opposite to the cellulose films, lignin Langmuir films do not spread spontaneously at the air-water interface. These films had a AS = 35.46 ± 0.66 Å 2 /molecule, and a C = 0.029 ± 1.53x10-3 m mN-1 and are not so stable in recompression cycles. However, they showed similar morphology to that of cellulose films. It is worth to mention that lignin films also display relatively big aggregates (» 50 mm 2 ) expulsed from the condensed phase. Finally, cellulose:lignin mixture (50:50 w/w) films showed a AS = 189 ± 14 Å2 /molecule, and a C = 0.028 ± 0.03 m mN-1. In addition, these films exhibited » 200 mm 2 aggregates, presumably of lignocellulosic mixture. All of the produced lignocellulosic films presented one condensed phase, did not had collapse, and probably form multilayers. On the other hand, the excess area (Aex) concept was used to establish the degree of miscibility between both biopolymers. All the Langmuir lignocelullosic films showed to be suitable for deposition onto a solid substrate (silica functionalized with 3-aminopropyltrimethoxysilane) using the Langmuir-Schaefer (LS) deposition technique, at 10 mN m-1 surface pressure. The produced surfaces were morphologically and topologically characterized by means of Atomic Force Microscopy (AFM). Cellulose model surfaces were homogeneous, noneorientated, relatively flat (rms » 2.25 nm) and with a structure formed by aggregates of approximately 30-50 nm2 . Lignin surfaces presented a smaller rugosity (rms » 1.36 nm), and no structure nor orientation was observed. Cellulose:lignin (70:30 w/w) mixtures surfaces had a rms value of 2.43 nm, and a structure similar to cellulose surfaces, but with bigger dimensions, i.e. 200 nm2 aggregates. Finally, stability properties of the lignocellulosic model surfaces were studied by means of a Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D). The cellulose model surfaces showed a mass of » 75 ngCellulose, and a thickness of » 2.43 nm. These surfaces also showed stability and a no-swelling behavior in water. However, swelling can be achieved with a higher ionic strength, without causing rigidity changes. Lignin model surfaces have a mass of » 46 ngLignin, and a thickness of » 1.7 nm. These surfaces showed water swelling behavior and dissolve with a higher ionic strength. On the other hand, cellulose:lignin (70:30 w/w) mixture model surfaces have a mass of » 84 ngMixture, and a thickness of » 5.31 nm. These surfaces showed similar stability and swelling behavior to that of cellulose model surfaces in water and higher ionic strength solutions, but also showed a higher swelling and rigidity sensibility than the cellulose ones.