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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Uso da espectrometria de massas para a caracterização de produtos ligados à biodiversidade, química verde e sustentabilidade
Title Alternative: Use of mass spectrometry for the characterization of products linked to biodiversity, green chemistry and sustainability
Author: Lima, Maíra Fasciotti Pinto, 1987-
Advisor: Eberlin, Marcos Nogueira, 1959-
Abstract: Resumo: Atualmente, uma das demandas mais urgentes do mundo é a busca pela sustentabilidade dos processos químicos e para a preservação da biodiversidade através, também, da exploração sustentável dos recursos naturais do planeta. Sendo assim, esta tese, dividida em quatro diferentes artigos, demonstrou a aplicação de diversas modalidades de espectrometria de massas para a caracterização de matérias primas ligadas à biodiversidade brasileira (madeiras e óleos nativos provenientes da Amazônia), bem como para a prospecção e certificação de combustíveis feitos de fontes renováveis (oleaginosas e microalgas). No primeiro artigo, foi demonstrado que um método quimiotaxonômico baseado na análise de possíveis marcadores fitoquímicos distintos é capaz de caracterizar e diferenciar amostras de madeira de mogno nativo da Amazônica e de mogno Africano que vem sendo utilizado para reflorestamento de áreas desmatadas. Para isso, utilizou-se uma metodologia simples e rápida através da análise direta por espectrometria de massas e ionização por electrospray (ESI-MS) de um extrato metanólico obtido de um pequeno pedaço de madeira. Limonóides típicos como khivorin, khayanolide A e mexicanolide foram identificados para o mogno Africano; e limonóides do tipo phragmalin, assim como polifenóis distintos como derivados de catequina e cinchonain foram identificados para o mogno nativo Brasileiro, e se destacam como possíveis marcadores fitoquímicos característicos para diferenciar ambas as espécies. Essa metodologia pode, portanto, ser usada como uma ferramenta monitorar o extrativismo ilegal de árvores de mogno e para controlar o desmatamento da Amazônia, assim como pode ser aplicada para criar um programa de certificação de madeiras nativas e de espécies em extinção. O segundo artigo descreveu a otimização de uma metodologia simples para determinar com exatidão os valores de 'sigma'13C em ésteres metílicos de ácidos graxos (FAMEs) da Jatropha curcas (pinhão manso), através da técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas de razão isotópica (GC-IRMS). Para isso, foi utilizada uma normalização de dois pontos usando padrões internos e externos para corrigir o fracionamento isotópico oriundo da reação de transesterificação e da análise por GC-IRMS. Observou-se que o processo de transesterificação pode levar a até 2 mUr de desvio dos valores de 'sigma'13C para o padrão interno (FAME C22: 0). Após a normalização de dois pontos, o valor médio de 'sigma'13C determinado para os FAMEs de 9 amostras diferentes de J. curcas foi 'sigma'13CVPDB = -29,51 ± 1,03 mUr, enquanto o valor obtido com a técnica de referência, (EA-IRMS) foi de -28,97 ± 0,43 mUr, que é uma assinatura típica de plantas C3. Este trabalho também demonstrou que procedimentos de qualidade devem ser aplicados para determinações de valores isotópicos exatos e rastreáveis, seguindo o princípio do tratamento idêntico para as amostras e para as referências. Já no terceiro artigo desta tese foram demonstradas estratégias para caracterizar extratos de microalgas utilizando a mobilidade iônica acoplada à espectrometria de massas (TWIM-MS). Primeiramente, os extratos de microalgas foram analisados por infusão direta na fonte ESI, sem prévia separação cromatográfica (DI-ESI-TWIM-MS). A segunda estratégia foi a análise de metabolômica e lipidômica untargeted por cromatografia líquida de ultra-eficiência (UPLC) acoplada a TWIM por análise independente de dados (DIA) - HDMSE como forma de aquisição de MS. Dezesseis biomassas de microalgas foram avaliadas por ambos os métodos. A DI-ESI-TWIM-MS pôde separar diferentes classes de metabólitos, tornando a tipificação de microalgas mais evidente. Já a análise por UPLC-HDMSE, identificou 1251 diferentes metabólitos, detalhando quimicamnete os perfis lipídicos desses extratos de biomassa de microalga. Foi possível discriminar os triacilgliceróis (TAGs) através das determinações das suas seções de choque (CCS), aumentando a confiança em suas identificações. As duas estratégias abordadas se mostraram bastante adequadas para serem aplicadas na indústria de algas, ajudanto a identificar quais são os melhores gêneros e espécies, assim como condições de cultivo, para aplicações específicas de microalgas em biotecnologia. Por fim, o quarto e último artigo desta tese se tratou de um compêndio sobre a composição de óleos de espécies nativas da Amazônia. Foram descritos os perfis de FAMEs e dos TAGs intactos de dezesseis espécies oleaginosas da Amazônia, através da técnica de GC-MS e ESI-MS. Os TAGs foram caracterizados de forma detalhada através de seus espectros de MS/MS, sendo até 40 diferentes TAGs identificados por amostra, somente nos 10 íons mais abundantes. Muitos TAGs isoméricos foram identificados para um mesmo íon precursor, mostrando que a complexidade é muito maior do que previamente relatado na literatura. Manteigas como babaçu, murumuru e manteiga de tucumã apresentaram espectros de massas muito similares entre si, apresentando mínimas variações nas abundâncias relativas de alguns TAGs. Os óleos de patauá e buriti também exibiram perfis de espectros de massas praticamente idênticos. Todas as amostras amazônicas foram comparadas a óleos comerciais como soja, milho, coco e azeite, e seus espectros de massas foram avaliados estatisticamente por meio de análise de componentes principais (PCA). Os resultados mostraram a formação de três grupos principais: manteigas, óleos com alto teor de ácido oleico e óleos com alto teor de ácido linoleico, além de algumas manteigas diferenciadas, como bacuri e cupuaçu, com composições mais próximas dos óleos do que a de outras manteigas. Espera-se que, gerando um maior conhecimento sobre a composição química desses óleos, fique mais fácil detectar possíveis adulterações em produtos que os empregam em sua composição. Além disso, incentiva-se a produção sustentável e o uso adequado dos recursos florestais Amazônicos, podendo até mesmo servir como base para a criação de um selo de certificação de origem. Através de todas as diferentes aplicações apresentadas nesta tese, almeja-se contribuir com ferramentas analíticas para a proteção de espécies nativas brasileiras, bem como auxiliar nas pesquisas para o uso adequado dos seus recursos naturais do planeta

Abstract: One of the most urgent demands in the world nowadays is the search for sustainability of the chemical processes and for the exploitation of natural resources of the planet. Thus, this thesis, divided in four different articles, aimed to demonstrate the application of several mass spectrometry (MS) modalities for the characterization of raw materials from Brazilian biodiversity (native woods and Amazonian oils), as well as for prospecting and certification of biofuels made from renewable sources (oilseeds and microalgae). In the first article, it is demonstrated that a wood chemotaxonomic method based on distinct profiles of phytochemical markers is able to promptly characterize both the Amazonian native and foreign mahogany species. This challenging task has been performed via a simple, fast and unambiguous methodology using direct electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) analysis of a simple methanolic extract of a tiny wood chip. Typical limonoids such as khivorin, khayanolide A and mexicanolide for African mahogany and phragmalin-type limonoids for the native Brazilian species, as well as distinct polyphenols such as catechin derivatives and cinchonain, form the characteristic phytochemical marker pools for both species. This rapid methodology could therefore be used to monitor legal and illegal mahogany tree harvesting, and hence to control Amazon deforestation. It could also be applied to create a wood certification program for African and Brazilian mahogany trees, as well as for wood certification in general. The second article described the optimization of a simple methodology to accurately determine the 'sigma'13C values in Jatropha curcas FAMEs as a test case, by a two-point normalization using internal and external standards to correct the isotopic fractionation from the transesterification reaction and from the GC-IRMS analysis itself. We observed that the transesterification process may lead up to 2 mUr of deviation of 'sigma'13C values for the internal standard (FAME C22:0). After the two point normalization, the determined 'sigma'13C average value for the FAMEs of 9 different samples of J. curcas was 'sigma'13CVPDB = -29.51 ± 1.03 mUr, while the bulk value obtained with EA-IRMS was -28.97 ± 0.43 mUr, a typical signature of C3-plants. This work also demonstrates that major quality procedures must indeed be applied for accurate determinations of isotopic values, especially in GC analysis, following the identical treatment principle. In the third article, were reported strategies to characterize microalgae extracts via traveling wave ion mobility ¿ mass spectrometry (TWIM-MS). First, we analyzed microalgae extracts by direct infusion to an electrospray ion source (ESI) with no previous chromatographic separation (DI-ESI-TWIM-MS). Second, we screened metabolites and lipids in the extracts via an untargeted high throughput method by ultra-performance liquid chromatography (UPLC) coupled to TWIM using data independent analysis (DIA) ¿ MSE (UPLC-HDMSE). Sixteen different microalgae biomasses were evaluated by both approaches. DI-ESI-TWIM-MS was able, via distinct drift times, to set apart different classes of metabolites, making microalgae typification more evident. UPLC-HDMSE, identified 1251 different metabolites, providing their lipid profiles, serving, therefore, as a powerful tool to determine best biotechnological applications for algae samples. Collision-cross section determinations was able to discriminate triacylglycerols (TAGs), increasing the confidence in their identifications, serving, therefore, as a guide for biofuels production. These two approaches seem to offer powerful tools for the algae industry identifying ideal strains and culture conditions for specific biotechnology applications, saving time in the analysis, and providing a wider number of identified species. The fourth and last article in this thesis was about a compendium on Amazonian oils composition, in which a detailed fatty acids and intact TAGs of sixteen different oleaginous Amazonian species was reported, by using gas chromatography-mass spectrometry and electrospray high-resolution mass spectrometry. The TAGs were characterized by their MS/MS spectrum resulting in a detailed study about TAGs composition in these samples. Over 40 different TAGs were identified and the occurrence of isomers was remarkable, showing that TAGs complexity in these samples is much higher than reported in some previous literature about Amazonian oils composition. For samples such as babassu, murumuru and tucuma butter, the mass spectra were almost identical, presenting only minimal variations in some TAGs relative abundances. Patawa and buriti oils also displayed identical mass spectra profiles. All the Amazonian samples were compared to trivial oils such as soybean, corn, coconut and olive oil, and their mass spectra were statistically evaluated using principal component analysis (PCA). The results showed a formation of three main groups: butters, high oleic acid oils and high linoleic acids oils, plus some disconnected butters such as bacuri and cupuaçu with compositions closer to oils than to other butters. Generating a greater knowledge about the chemical composition of these oils, it is easier to detect possible adulterations in products that employ them in their composition, and additionally, encourage the sustainable production and appropriate use of Amazon forest resources, or the creation of certification of origin stamp. From the applications presented in this thesis, we are expecting to contribute with analytical tools for the protection of Brazilian native species, as well as to help the researches that leads to the proper use of planet¿s natural resources
Subject: Espectrometria de massa
Mogno - Amazônia
Biocombustíveis
Óleo amazônico
Language: English
Editor: [s.n.]
Citation: LIMA, Maíra Fasciotti Pinto. Uso da espectrometria de massas para a caracterização de produtos ligados à biodiversidade, química verde e sustentabilidade. 2018. 1 recurso online (239 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/341566. Acesso em: 15 May. 2020.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IQ - Tese e Dissertação

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