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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO Relatório n°4: Reações de caracterização de carboidratos Nome do aluno (a): Skarllathy J. J. C. de Carvalho. Professor (a): Carolina Fortes Rigos. Código da Disciplina: DCN11431 06 de junho de 2014. 1. RESUMO O seguinte procedimento tem como assunto as reações de caracterização de carboidratos. Eles são classificados como: monossacarídeo, dissacarídeo e polissacarídeo. Todos os monossacarídeos e alguns dissacarídeos e polissacarídeos possuem carbonos anoméricos livres, dando a eles um caráter redutor, estes são chamados de açúcares redutores e são capazes de reduzir íons metálicos. Realiza-se o teste de Benedict e de Fehling para a identificação de açúcar redutor, e o teste de Tollens para a identificação de grupos aldeídos. Realiza-se também a hidrólise ácida do amido (observação através da reação com o iodo) e da sacarose (observação da inversão da rotação óptica). Obteve-se resultados satisfatórios para todas as análises, exceto o teste de Tollens. 2. INTRODUÇÃO Os carboidratos perfazem a mais abundante classe de biomoléculas da face da Terra, sendo a sua oxidação o principal meio de abastecimento energético da maioria das células não fotossintéticas. Eles atuam também como elementos estruturais da parede celular e como sinalizadores no organismo 1 . Existem três classes principais de carboidratos que são: os mossacarídeos, constituído por uma única unidade poliidroxicetona ou poliidroxialdeído, eles possuem dois ou mais grupos hidroxil, a frutose e a glicose (Figura 9) são exemplos de monossacarídeos com 5 grupos hidroxil; os dissacarídeos consistem de dois monossacarídeos unidos covalentemente por uma ligação O-glicosídica, a sacarose é um exemplo de dissacarídeos, em que é formado pela glicose e frutose (Figura 5); os polissacarídeos são polímeros de açúcar que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeos, podendo ser homopolissacarídeos, em que contêm uma única espécie monomérica, como o amido (Figura), ou podendo ser um heteropolissacarídeo que contêm dois ou mais tipos diferente 2 . Os oligossacarídeos consistem em cadeias curtas de unidades de monossacarídeos, ou resíduos, unidas por ligações glicosídicas. Quando os açúcares possuem a extremidade de uma cadeia um carbono anomérico livre (carbono carbonílico ou hemiacetal) são chamados de açúcares redutores, eles possuem a capacidade de reduzir íons metálicos, tais como Cu 2+ , Ag + ou ferricianeto, em meio alcalino. No geral os monossacarídeos são açúcares redutores, mas os di e polissacarídeos nem sempre apresentam essa propriedade. Exemplos de açúcares redutores são a glicose e a lactose, como pode ser visto na Figura 1: Figura 1. Representação da Glicose (esquerda) e da Lactose (direita), com seus respectivos carbonos anoméricos. (Fonte: Livro Princípio de Bioquímica de Lehninger)2 As estruturas de oligossacarídeos e polissacarídeos em geral são determinadas por uma combinação de métodos: a hidrólise enzimática específica para determinar a estereoquímica da ligação glicosídica e produzir fragmentos menores para análises adicionais; a metilação para localizar as ligações glicosídicas; e a clivagem gradual para determinar a sequência e a configuração dos carbonos anoméricos 2 . 3. PROCEDIMETO EXPERIMENTAL Tabela 1. Materiais e reagentes utilizados nos procedimentos. Materiais: Reagentes: - Erlenmeyer; - Tubos de ensaio; - Chapa de aquecimento; - Termômetro; - Pipeta Pasteur; - Bécker; - Pipeta graduada; - Bastão de vidro; - Polarímetro. - Água destilada; - Solução de amido a 1%; - Solução de frutose a 1%; - Solução de glicose a 1%; - Solução de sacarose a 1%; - Reagente de Benedict; - Solução de HCl 3 mol/L; - Solução de Tollens; - Solução de Fehling A; - Solução de Fehling B; - HCl concentrado; - Lugol. 3.1. Procedimento: Reações características dos carboidratos – oxidação/redução: Métodos: Utilizou-se as seguintes soluções de carboidratos para a realização dos testes: frutose, glicose, sacarose e amido, todas a 1%. Para os testes, cada tubo de ensaio refere-se ao seguinte carboidrato: Tubo 1, frutose; Tubo 2, glicose; Tubo 3, sacarose; Tubo 4, amido. 3.1.1. Teste de Benedict para açúcares redutores: Numerou-se 4 tubos de ensaio. A cada tubo adicionou-se 2,5 mL do reagente de Benedict e 1 mL da solução do carboidrato, agitou-se. Colocaram-se os tubos de ensaio, ao mesmo tempo, em banho-maria (aproximadamente 100°C). Observou-se o que ocorreu passados 5-6 minutos. Numerou-se outros 2 tubos de ensaio, ao primeiro adicionou-se 5 mL de sacarose e ao segundo 5 mL de amido, nos dois tubos adicionou-se 4-5 gotas de HCl 3 mol/L. Aqueceu-se as soluções em banho-maria, sendo a primeira por 5 minutos e a segunda por 30 minutos. Realizou-se o teste de Benedict utilizando-se 1-2 mL das soluções acidificadas (sacarose e amido) e comparou-se os resultados obtidos com as soluções sem a adição de ácido. 3.1.2. Teste de Tollens (espelho de prata): Numerou-se 4 tubos de ensaio. Colocou-se 1 mL da solução de Tollens em cada tubo de ensaio e adicionou-se 0,5 mL do carboidrato e agitou-se. Colocou-se os tubos em banho-maria (aproximadamente 70°C) durante 5 minutos. Observou-se e anotou-se os tubos em que apareceram um espelho na parede interna. 3.1.3. Teste de Fehling para açúcares redutores: Numerou-se 4 tubos de ensaio. Em cada um misturou-se 1 mL da solução de Fehling A com 1 mL da solução de Fehling B. Adicionou-se 0,5 mL da solução de carboidrato e agitou-se. Em banho-maria aqueceu-se as soluções até a fervura, durante 5 minutos. Observou-se os tubos de ensaio em que apareceram precipitados avermelhados. 3.2. Procedimento: Reação de hidrólise do amido: Métodos: Colocou-se em um erlenmeyer de 100 mL, cerca de 20 mL da solução de amido a 1%. Na capela adicionou-se 1,0 mL de ácido clorídrico concentrado, agitou-se e transferiu-se 1,0 mL dessa mistura para um tubo de ensaio, nesta adicionou-se 1 gota de lugol e observou-se a cor. Colocou-se o erlenmeyer sobre a chapa metálica, e dentro dele adicionou-se pedras de ebulição, mantendo-se a ebulição branda. Ao início da ebulição retirou-se cerca de 1 mL da amostra, a cada 4 minutos, utilizou-se cerca de 6 tubos de ensaio. Em cada tubo adicionou-se 1 gota de lugol. Ao último tubo, adicionou- se base até o meio ficar básico e realizou-se o teste de Benedict. 3.3. Procedimento: Reação de hidrólise da sacarose (Inversão da sacarose): Métodos: Em um polarímetro mediu-se a rotação ótica da solução de sacarose a 10 % (50 mL). Calculou-se a sua rotação específica. Transferiu-se a solução para um erlenmeyer e adicionou-se 20 gotas de ácido clorídrico concentrado, tampou-se a solução e a aqueceu por cerca de 10 a 15 minutos. Esfriou-se e mediu-se a rotação ótica novamente. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Procedimento: Reações características dos carboidratos – oxidação/redução: 4.1.1. Teste de Benedict para açúcares redutores: Numerou-se 4 tubos de ensaio e adicionou-se em cada um 2,5 mL do reagente de Benedict, esse reagente consiste de uma solução de sulfato de cobre em meio alcalino 3 e apresenta coloração azul. Posteriormente adicionou-se em cada tubo 1,0 mL da solução de carboidrato, sendo em cada tubo um carboidrato diferente, observou-se que a solução permaneceu com a coloração azul (Figura 2). Posteriormentecolocaram-se os tubos de ensaio em banho-maria (100°C) por cerca de 6 minutos. Após o aquecimento observou- se que os tubos 3 e 4, os quais continham os carboidratos sacarose e amido, respectivamente, não mudaram de cor. Os tubos 1 e 2, os quais continham a frutose e a glicose formaram precipitado vermelho-tijolo, a solução do tubo 2 (glicose) ficou escura, mas no fundo do tubo observou-se a decantação do precipitado vermelho-tijolo (Figura 3). Figura 2. Reagente de Benedict mais o carboidrato, antes do aquecimento. Figura 3. Reagente de Benedict mais o carboidrato, após o aquecimento. O reagente de Benedict detecta a presença de açucares redutores, esses açucares apresentam extremidades da cadeia carbônica com carbonos não impedidos para reagirem, conhecidos como carbonos anoméricos, exemplos desses açucares são a maltose, galactose, lactose, glicose e frutose, sendo esses dois últimos produtos da degradação da sacarose, que é um açúcar não redutor 4 . Esses açucares redutores possuem o agrupamento –OH livre no carbono 1 do anel, e em solução alcalina o anel se rompe e a molécula fica aberta com um grupamento redutor, como pode ser visto na Figura 4 a quebra do anel da glicose. Figura 4. Quebra do anel da molécula de glicose formando a glicose aldeído. (Fonte: Aula Mono e Dissacarídeos – Propriedades dos açúcares)4 Esses açúcares quando estão em presença do reagente de Benedict (CuSO4 em meio alcalino) eles reduzem o cobre 2+ (sulfato de cobre) à cobre 1+ (óxido de cobre), como pode ser visto na reação abaixo: → → No teste realizado constatou-se que a frutose e a glicose (que são monossacarídeos) são açucares redutores e a sacarose e o amido não o são, pois essas duas últimas não possuem carbonos anoméricos livres e estão envolvidas em ligações glicosídicas, como pode ser vista nas Figuras 5 e 6. Figura 5. Estrutura da Sacarose, a qual apresenta uma ligação glicosídica entre a glicose e a frutose. (Fonte: Texto – a química do açúcar – Conselho Regional de Química)5 Figura 6. Estrutura do Amido, a qual apresenta ligações glicosídicas entre moléculas de α-glicose. (Fonte: Texto – Amido – Brasil Escola)6 Numerou-se outros dois tubos de ensaio e ao primeiro adicionou-se 5 mL da solução de sacarose e 5 gotas de HCl 3 mol/L e aqueceu-se a solução em banho-maria por 5 minutos. Ao segundo tubo de ensaio, adicionou-se 5 mL da solução de amido e 5 gotas de HCl 3 mol/L e aqueceu-se em banho-maria por 30 minutos. Após o aquecimento realizou-se o teste de Benedict utilizando-se 2 mL das soluções acidificadas. Para a solução de sacarose houve a formação do precipitado vermelho-tijolo e para a de amido não houve (Figura 7). Isso ocorre, pois a concentração do ácido adicionado não é suficiente para a quebra da estrutura do amido em moléculas de glicose, mas é suficiente para a quebra da estrutura da sacarose, em que forma a glicose e a frutose. Figura 7. Teste de Benedict com as soluções de sacarose e amido acidificadas. Como a glicose e a frutose são açúcares redutores, estes formam precipitados vermelho-tijolo, pois reagem com o reagente de Benedict formando o Óxido de Cobre (Cu2O). 4.1.2. Teste de Tollens (espelho de prata): Numerou-se 4 tubos de ensaio, e em cada um adicionou-se 1 mL do reagente de Tollens, que consiste em uma solução amoniacal de nitrato de prata. Adicionou-se 0,5 mL da solução do carboidrato em cada tubo de ensaio, agitou-se e aqueceu-se em banho-maria (70°C) por 5 minutos. Após o aquecimento observou-se que as soluções do tubo 1 e 2 houve a formação de espelho de prata (Figura 8) e as soluções do tubo 3 e 4 não houve nenhuma formação. Figura 8. Teste de Tollens, positivo para a frutose e a glicose. O reagente de Tollens é formado pelo cátion diaminoprata, Ag(NH3)2 + , ele é um agente oxidante. Esse reagente serve para diferenciar aldeídos de cetonas, pois quando expostos ao reagente de Tollens apenas os aldeídos são oxidados (oxidados a ácido carboxílico) e forma-se o espelho de prata, isso não ocorre com a cetona. A reação que ocorre entre o aldeído e o reagente é a seguinte: → Observando-se a Figura 9, nota-se que a glicose possui o grupo aldeído e a frutose possui grupo cetona, sendo assim o reagente de Tollens serve para diferenciar esses dois carboidratos, ocorrendo a formação do espelho de prata apenas com a glicose. Mas, não foi observada essa diferença no procedimento realizado, pois formou-se o espelho em ambas soluções, com isso percebeu-se um erro ocorrido durante a realização da prática. Este erro pode ter ocorrido devido a alguma contaminação de grupos aldeídos no tubo de ensaio em que se encontrava a solução da frutose, ou algum erro na execução do procedimento. Figura 9. Estrutura da glicose (esquerda) e da frutose (direita). (Fonte: Texto – Fazendo um espelho de prata – Canal do Educador)7 4.1.3. Teste de Fehling para açúcares redutores: Enumerou-se 4 tubos de ensaio, colocou-se 1,0 mL da solução de Fehling A e 1,0 mL da solução de Fehling B em cada tubo. Adicionou-se 0,5 mL da amostra e agitou-se. Aqueceu-se à fervura em banho de água durante 5 minutos e observou-se o aparecimento de precipitado avermelhado no fundo do tubo, nos tubos 1 e 2, sendo que no 1 houve um escurecimento da solução (Figura 10). Figura 10. Teste de Fehling, positivo para a frutose e a glicose. O teste de fehling serve para determinar o caráter redutor de uma substância orgânica. A solução A é constituída por Sulfato de Cobre (II) e a solução B é constituída por NaOH e o sal tartarato de sódio 2,3-di-hidroxibutanodiato (KNaC4H4O6.4H2O) 8 , ao misturar as duas soluções ocorre a formação do Hidróxido de Cobre (II) e do Sulfato de Sódio: CuSO4 + 2 NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4 O sal KNaC4H4O6.4H2O (agente complexante) tem por finalidade estabilizar a formação do Hidróxido de Sódio em meio alcalino. A frutose e a glicose em solução possuem caráter redutor e em meio alcalino este caráter se torna mais marcante, fazendo com que esses grupos redutores reduzam os íons cobre (II) à íons cobre (I). Assim, ocorre a formação de hidróxido cuproso (CuOH) e com o aquecimento este se converte em óxido cuproso (CuO), que é um composto insolúvel de coloração avermelhada, a seguir tem-se a reação geral que ocorre: 4.2. Procedimento: Reação de hidrólise do amido: Em um erlenmeyer adicionou-se 20 mL de solução de amido e 1,0 mL de HCl concentrado. Retirou-se 1,0 mL dessa solução e a transferiu para um tubo de ensaio e adicionou-se 1 gota de Lugol no tubo de ensaio e observou-se uma coloração azul escuro (Figura 11). Figura 11. Reação do amido com o Iodo. Colocou-se o erlenmeyer sobre a chapa metálica e adicionou-se pedras de ebulição, visando manter a ebulição branda. Enumerou-se 6 tubos de ensaio, e a cada 4 minutos passados retirou-se 1,0 mL da solução contida no erlenmeyer e o transferiu para cada tubo de ensaio e adicionou-se 1 gota de lugol. Observou-se que a medida que a solução ficava mais tempo no aquecimento, as soluções ficavam mais claras quando adicionava- se o lugol, porém as três últimas soluções ficaram praticamente com a mesma coloração. (Figura 12). Figura 12. Reações de amido com iodo após aquecimento da solução de amido com HCl concentrado. O amido é um homopolissacarídeo composto por cadeias de amilose e amilopectina. A amilose é formada por unidades de glicose unidas por ligaçõesglicosídicas, que originam uma cadeia linear (α-1,4). A amilopectina é formada por unidades de glicose unidas em α-1,4 e α-1,6, formando uma estrutura ramificada9 (Figura 13). Figura 13. Representação da cadeia da amilose (A) e amilopectina (B). (Fonte: Carboidratos – Estrutura, propriedade e funções)1 Para a determinação da presença de amido é utilizado o lugol (solução de iodo) como identificador da atividade extracelular de amilases. O aparecimento de coloração azul escura violácea, como a que foi observada no primeiro tubo de ensaio (Figura), indica a presença de amido. Com o tratamento por ácidos fortes e aquecimento o amido, pode ser convertido completamente em moléculas de glicose, como pode ser visto na reação abaixo: → O ácido a quente hidrolisa tanto as ligações α-1,4 como as α-1,6. À medida que a hidrólise progride, a reação com o iodo vai desaparecendo e o poder redutor do hidrolisado vai aumentando, então a medida que vai ocorrendo essa hidrólise a reação com o iodo deixa de ocorrer e a coloração vai deixando de ser azul escura, pois todo o composto não redutor (amido, que reage com o iodo) esta sendo convertido em seu constituinte essencial, que é um açúcar redutor (glicose, que não reage com o iodo) 10 . Notou-se que logo nos primeiros tubos a solução deixou de ser azul, ocorrendo rapidamente a conversão do amido em glicose. Ao último tubo de ensaio (tubo 6) adicionou-se NaOH, até o meio estar básico, posteriormente realizou-se o teste de Benedict, o qual deu positivo, confirmando então a presença do açúcar redutor (glicose). 4.3. Procedimento: Reação de hidrólise da sacarose (Inversão da sacarose): Encheu-se o tubo do polarímetro com a solução de sacarose 10%, e mediu-se a rotação, obtendo-se uma rotação de +10° (dextrorrotatória). Transferiu-se a solução para um erlenmeyer e adicionou-se 20 gotas de HCl concentrado, após o aquecimento dessa solução por 15 minutos, deixou-a esfriar e mediu-se a sua rotação ótica novamente, obtendo-se –10° (levorrotatória). A sacarose é um açúcar dextrorrotatório, ou seja, capaz de desviar a luz polarizada para a direita, após a sua hidrólise ocorre a formação da glicose e da frutose, a glicose é dextrorrotatória, e a frutose formada está na sua forma piranosídica (mais estável) que é altamente levorrotatória, com isso, a estrutura da frutose favorece a rotação para a esquerda, diz-se então que o açúcar inverteu o ângulo 4 . Após a acidificação e o aquecimento da solução de sacarose, ocorreu-se a hidrólise do açúcar, conhecido como açúcar invertido. 5. CONCLUSÃO A partir do experimento realizado nota-se a variedade de métodos utilizados para a análise de açúcares, podendo-se identificar a presença de açúcares redutores, através de reações com íons metálicos. Apesar do resultado não esperado no teste de Tollens, percebe-se a sua importância na determinação de grupos aldeídos, servindo como base para a diferenciação dos monossacarídeos frutose e glicose. Observa-se a relevância das reações do amido com iodo para a identificação de sua total hidrólise, e da medição de rotação da estrutura da sacarose como método na determinação da hidrólise desse açúcar. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] JUNIOR, WILMO E. F. Carboidratos: Estrutura, propriedade e funções. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 29, p. 8-13, agosto 2008. [2] NELSON, DAVID L.; COX, MICHAEL M. Carboidratos e Glibiologia. Princípios de bioquímica de Lehninger. 5ª Edição. Porto Alegre: Artmed, 2011. p. 235- 263. [3] FIGUEIRA, ANGELA C. M.; ROCHA, JOÃO B. T. Açúcares redutores no ensino superior: atividades baseadas nas resoluções de problemas. Experiências em ensino de ciências, V. 7, n. 3, 2012. [4] OETTERER, MARÍLIA. Aula: Mono e Dissacarídeos – Propriedades dos açúcares. Disponível em: <http://www.esalq.usp.br/departamentos/lan/pdf/Mono%20e%20Dissacarideos%20- %20Propriedades%20dos%20Acucares.pdf>. Acessado em: 23 de jun. de 2014. [5] CRUZ, SANDRA H.; SARTI, DANILO A. A Química do Açúcar. Disponível em: <http://crq4.org.br/?p=texto.php&c=quimicaviva_acucar>. Acessado em: 23 de jun. de 2014. [6] FOGAÇA, JENNIFER. Amido. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/quimica/amido.htm>. Acessado em: 23 de jun. de 2014. [7] FOGAÇA, JENNIFER. Fazendo um espelho de prata. Disponível em: <http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/fazendo-um-espelho-prata.htm>. Acessado em: 23 de jun. de 2014. [8] FERRARI, VALQUÍRIA. Teste de Fehling. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/169267223/Teste-de-Fehling-Portal>. Acessado em: 23 de jun. de 2014. [9] DERNADIN, CRISTIANE C.; SILVA, LEILA P. Estrutura dos grânculos de amido e sua relação com propriedades físico-químicas. Ciência Rural, Santa Maria, V. 39, n. 3, p. 945-954, 2009. [10] REMIÃO, JOSÉ O. R.; SIQUEIRA, ANTÔNIO J. S.; AZEVEDO, ANA M. P. Enzimas: hidrólise ácida e enzimática do amido. Bioquímica: Guia de aulas práticas. Edipurcs, 2003. p. 109-110.
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