Relatório 06 - Oléo e saponificação - Oléo e saponificação
Os lipídios (do grego: lipos, gordura) são substâncias de origem biológica, solúveis em solventes orgânicos (éter, clorofórmio, benzeno) e insolúveis ou pouco solúveis em água. As principais classes de lipídios biológicos são: ácidos graxos, triacilgliceróis, glicerofosfolipídios, esfingolipídios e esteróides [VOET, 2006].
Principais classes de lipídios biológicos
- Ácidos graxos: são ácidos carboxílicos com grupos laterais de hidrocarbonetos de cadeia longa (com cadeias carbônicas variando entre 4 e 36 carbonos). Eles normalmente ocorrem na forma esterificada, como os principais componentes de triacilgliceróis, glicerofosfolipídios, esfingolipídios e colesterol. Nas plantas e nos animais superiores, os ácidos graxos mais comuns são os com 16 e 18 carbonos (C16 e C18): ácidos palmítico, oléico, linoléico e esteárico (Figura 1). Ácidos graxos com menos de 14 ou mais de 20 carbonos são raros. A maioria dos ácidos graxos possui um número par de carbonos, pois em geral são sintetizados pela concatenação de unidades C2.
FIGURA 1: Fórmulas estruturais de alguns ácidos graxos [VOET, 2006].
Os ácidos graxos podem ainda ser divididos em dois grupos: saturados e insaturados (Figura 2). Os ácidos graxos saturados são aqueles que possuem somente ligações simples (C–C) entre seus átomos de carbono da cadeia de hidrocarbonetos. Sua conformação geralmente é reta, o que permite seu empilhamento de forma eficiente. Já os ácidos graxos insaturados possuem uma ou mais duplas ligações (C=C) ao longo da cadeia carbônica. A ligação dupla ocorre de forma alternada entre os átomos de carbono, e ela pode ter duas configurações: cis (se a molécula adquirir forma linear) e trans (se a molécula tiver uma inclinação na cadeia). Os ácidos graxos insaturados ocorrem na natureza na configuração cis, entretanto, através de processos artificiais de hidrogenação (quando são solidificados na presença de H2) eles são transformados para a configuração trans [VOET, 2006].
FIGURA 2: Ácido graxo saturado (esquerda) e insaturado (direita) [Aula 06].
- Triacilgliceróis: também conhecidos como triglicerídios ou gorduras neutras, constituem basicamente as gorduras e os óleos encontrados nas plantas e animais. Eles são substâncias apolares e insolúveis em água, compostos por triésteres de ácidos graxos e glicerol (Figura 3). Os triacilgliceróis são substâncias de reserva de energia para os animais, sendo sintetizados e armazenados nos adipócitos (células gordurosas do tecido adiposo), que permite com que humanos sobrevivam a jejum de 2 a 3 meses e proporciona isolamento térmico [VOET, 2006].
FIGURA 3: Molécula de triacilglicerol [VOET, 2006].
As gorduras e os óleos são misturas complexas de triacilgliceróis, cuja composição em ácidos graxos depende do organismo que os produz. As gorduras são ricas em ácidos graxos saturados, logo apresentam uma maior facilidade de empacotamento devido a conformação das suas moléculas, o que explica a sua solidez em temperatura ambiente, enquanto os óleos são mais ricos em ácidos graxos insaturados, o que dificulta a interação intermolecular, sendo portanto líquidos a temperatura ambiente.
- Glicerofosfolipídios e Esfingolipídios: são importantes componentes lipídicos das membranas biológicas. Os glicerofosfolipídios (ou fosfoglicerídios) são constituídos de sn-glicerol-3-fosfato esterificado a ácidos graxos nos posições C1 e C2 e a um grupo X no seu grupo fosforil, conforme a Figura 4. Os esfingolipídios são formados por uma molécula de um aminoálcool de cadeia longa, a esfingosina, que é ligado aos ácidos graxos através de uma ligação amida, conforme a Figura 5. [VOET, 2006].
FIGURA 4: Molécula de glicerofosfolipídio [VOET, 2006].
FIGURA 5: Uma molécula de ceramida, derivada do ácido graxo N-acil da esfingosina [VOET, 2006].
- Esteróides: os esteróides são derivados do ciclopentanoperidrofenantreno. O colesterol é o esteróide mais abundante nos animais, e é um componente fundamental das membranas plasmáticas animais (Figura 6). Ele é o precursor metabólico dos hormônios esteroidais, que regulam uma grande variedade de funções fisiológicas, entre elas o desenvolvimento sexual e o metabolismo de carboidratos [VOET, 2006].
FIGURA 6. Colesterol (a) Fórmula estrutural. (b) Modelo de volume atômico [VOET, 2006].
Agregados Lipídicos
Lipídios anfipáticos (como os ácidos graxos), ao serem misturados com a água, podem formar três tipos de agregados: micela, bicamada ou lipossomo.
Lipídios com uma única cadeia carbônica, como sabões e detergentes, devido à forma cônica e afilada de suas moléculas, constituem, preferencialmente, micelas. Nesta estrutura esférica, as cadeias de hidrocarbonetos organizam-se no interior, isolando-se da água, e os grupos polares posicionam-se na superfície externa, interagindo com o solvente (Figura 7a) A formação de micelas é favorecida quando a área transversal dos grupos carregados for maior que a(s) cadeia(s) acila lateral(is), como ocorre nos ácidos graxos livres, nos lisofosfolipídios (fosfolipídios sem um ácido graxo) e nos detergentes como o dodecil sulfato de sódio. Ela é uma etapa importante na digestão dos lipídios da dieta.
A maioria dos fosfolipídios e glicolipídios associam-se em uma camada dupla de moléculas, chamada bicamada lipídica. Esta estrutura permite uma agregação mais estável das moléculas desses lipídios, que tem forma cilíndrica devido à presença de duas cadeias apolares. As moléculas de lipídios alinham-se lado a lado, compondo duas monocamadas; as cadeias carbônicas das monocamadas agrupam-se frente a frente, de modo a criar um domínio hidrofóbico no meio da bicamada; os grupos hidrofílicos dispõem-se na superfície das duas faces da bicamada, interagindo com a água (Figura 7b).
Bicamadas lipídicas tendem a se converter em estruturas fechadas, chamadas lipossomos, que são mais estáveis, pois não apresentam caudas hidrofóbicas expostas ao solvente, como acontece na periferia das bicamadas planas. Os lipossomos são vesículas esféricas sintéticas formadas por uma bicamada lipídica contínua, que delimita uma cavidade interna preenchida com solvente (Figura 7c). Eles podem ser produzidos com moléculas de um único tipo ou de diferentes tipos de lipídios anfipáticos [LEHNINGER, 2006].
FIGURA 7. (a) Micela. (b) Bicamada lipídica. (c) Lipossomo [LEHNINGER, 2006].
O sabão geralmente é o resultado da reação química entre uma base forte (geralmente hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio) e algum ácido graxo, numa reação chamada saponifição. Os ácidos graxos normalmente usados são o oléico, o esteárico e o palmítico, encontrados sob a forma de triacilgliceróis (oleatos, estearatos e palmitatos) nas substâncias gordurosas. Na reação de saponificação o hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio ataca os triacilgliceróis, deslocando o glicerol e formando sais sódicos ou potássicos, que recebem o nome de sabões (Figura 8).
FIGURA 8: Exemplo de reação de saponificação. (1) Triacilglicerol. (2) Base Forte (KOH). (3) Glicerol. (4) Sal Potássico (fonte: http://www.dbm.ufpb.br/DBM_bioquimica_monitoria.htm).
Como eles possuem uma parte orgânica (longa cadeia carbônica, hidrofóbica) e uma parte inorgânica (íon proveniente da base, hidrofílico), eles dissolvem a gordura e são solúveis em água. A parte orgânica se liga à gordura dos pratos, utensílios domésticos, etc., enquanto a parte inorgânica se liga à água, por ser polar.
A capacidade de limpeza dos sabões e detergentes depende da sua capacidade de formar emulsões com materiais solúveis nas gorduras. Na emulsão, as moléculas de sabão ou detergente envolvem a "sujeira" de modo a colocá-la em uma micela (Figura 9). Os sabões são agentes emulsificantes, pois tendem a tornar as emulsões mais estáveis e homogêneas.
FIGURA 9. Interface da micela com um meio polar (fonte: http://www.cdcc.sc.usp.br/quimica/index.html).
Os sabões são ineficientes em água dura (água contendo sais de metais pesados, especialmente ferro e cálcio). Os sabões, em água dura, são precipitados na forma de sais insolúveis de cálcio ou magnésio. Os sais de cálcio e ferro de hidrogeno-sulfatos de alquila são solúveis em água, e os sais de sódio destes materiais, conhecidos como detergentes, são eficientes mesmo em água dura [CDCC, 2009].
O objetivo deste experimento foi extrair o óleo de soja, realizar a saponificação do óleo extraído e caracterizar as propriedades físico-químicas dos sabões.
Soja moída e seca
Banho de aquecimento fervente
Pedra quente à 50ºC
Pipetador automático 1000µL
Ponteiras de pipetador
Béquer de 10 mL
Suporte para funil de vidro
3.2.1 Parte 1 – Extração do óleo vegetal da soja
Em um béquer de 100 mL pesou-se 10 g de soja moída e seca, adicionou-se 25 mL de acetona e agitou-se por 5 minutos.
No filtro de vidro, com o filtro de papel filtrou-se a solução obtida. Em uma pedra própria para aquecimento químicos colocou-se o béquer com a solução filtrada e esperou-se até que toda a acetona evaporasse e restasse apenas o óleo de soja.
3.2.2 Parte 2 – Solubilidade do óleo de soja
Numerou-se 4 tubos de ensaios e em casa um colocou-se um dos seguintes solventes:
Adicionou-se à cada um deles 1 mL de óleo de soja, agitou-se e classificou-se a solubilidade do óleo em cada solvente da seguinte forma: +, ++, +++ e ++++.
3.2.3 Parte 3 – Reação de saponificação
Em um erlenmeyer de 125 mL misturou-se 10 mL de solução aquosa de hidróxido de potássio à 40% e 10 mL de álcool etílico. Colocou-se 5 mL de óleo vegetal e aqueceu-se em banho fervente por 30 minutos.
Após esse tempo adicionou-se 2 mL da solução à 1 tubo de ensaio e 2 mL de água destilada e observou-se a formação ou não de espuma.
3.2.4 Parte 4 – Separação de ácidos graxos
Colocou-se 4 mL de sabão em1 tubo de ensaio e adicionou-se 2 gostas de fenolftaleína.
Agitando o tubo colocou-se, gota a gota, HCl até que a coloração mudou de rosa para incolor. Reservou-se a solução.
3.2.5 Parte 5 – Ressaponificação
Colocou-se 4 gotas da solução obtida no item 3.2.4 à 1 tubo de ensaio com 5 mL de água destilada quente. Adicionou-se, gota a gota, NaOH até que a parte oleosa fosse solubilizada. Agitou-se para verificação da formação de espuma.
3.2.6 Parte 6 – Propriedades emulsificantes dos sabões
Em 1 tubo de ensaio com 5 mL de água adicionou-se 5 gotas de óleo e agitou-se. Observou-se.
Repetiu-se o procedimento adicionando 5 gotas de sabão antes de agitar.
4.1 - Parte 1 – Extração do óleo vegetal da soja
A extração do óleo de soja por um solvente é realizada normalmente por um hidrocarboneto. A penetração do solvente no interior dos grãos triturados é facilitada pela exposição de uma superfície maior. O óleo no material triturado pode estar na superfície que é retirado por simples dissolução, e o óleo presente no interior de células intactas são removidos por difusão.
Os resultados apresentados em nosso experimento estão expostos na Tabela 1:
TABELA 1: Resultados Obtidos – Extração do Óleo de Soja
O rendimento da extração pode ser através de cálculos simples:
Rendimento do Óleo de Soja = 10,54 %
4.2 - Parte 2 – Solubilidade do óleo de soja
As forças intermoleculares são responsáveis por diversos aspectos de uma substância, dentre os quais se encontra a capacidade de dissolução de um soluto em um solvente.
No processo de dissolução de duas ou mais substâncias há a quebra e a formação de ligações intermoleculares. Porém essas interações possuem níveis energéticos de ligações distintos, a solubilização ocorre quando as interações entre as moléculas do soluto forem semelhantes às interações entre as moléculas do solvente.
Os resultados apresentados em nosso experimento estão expostos na Tabela 2:
TABELA 2: Resultados Obtidos – Solubilidade do Óleo de Soja
4.3 - Parte 3 – Reação de saponificação
O sabão é um produto obtido a partir da reação química de um álcali e uma matéria graxa, usualmente chamada de reação de saponificação. O seu grupo polar é representado pelo grupamento COONa e a parte não polar pelo radical R, que é usualmente uma cadeia de carbono linear com quantidade variável de átomos de carbono.
O grupo polar tem características semelhantes em todos os sabões, de modo que o radical R é o responsável pelas diferentes propriedades dos mesmos.
Os melhores sabões são aqueles que apresentam de 12 a 18 átomos de carbono no radical R, sendo suas características tensoativas aproveitadas quando ele está em solução aquosa e temperatura.
A temperatura elevada diminui ainda mais tensão superficial, por isso lava-se melhor
No processo de saponificação ocorre a quebra da molécula do triglicerídeo em seus ácidos graxos é através de soluções alcalinas concentradas com temperatura elevadas. Essa reação tem como resultado a liberação do glicerol e formação de sais de ácidos graxos, originados pela incorporação do sódio à molécula de ácido graxo. Veja um exemplo de sabão que pode ser formado a partir da hidrólise do tripalmitil-glicerol, um dos constituintes do óleo de soja:
FIGURA 10: Reação de Saponificação a Presença de Hidróxido de Sódio (NaOH)
Alternativamente, a reação de saponificação pode ocorrer na presença de KOH (Hidróxido de Potássio):
FIGURA 11: Reação de Saponificação a Presença de Hidróxido de Potássio (KOH)
O sabão é uma molécula anfipática, possui uma "cabeça" polar (COO- K+) e uma cauda apolar formada pelo radical "R". Quando em meio aquoso as moléculas anfipáticas tendem a se agrupar formando estruturas esferóides, as micelas. Este é o princípio da limpeza de gorduras produzida pelo sabão.
FIGURA 12: Esquema de uma Molécula de Sabão
Uma das características mais interessantes dos sabões é a capacidade de formação de espuma, como de fato ocorreu em nosso experimento.
A espuma é um conjunto de bolhas gasosas envoltas em uma cápsula líquida, que necessita de um material orgânico como sabões, detergentes, lipídios etc e um pouco de agitação.
Como já dito anteriormente, esses compostos são anfipáticos, com parte de sua molécula hidrofóbica, Quando a parte hidrofóbica entra em contato com a água ela tenta se afastar o rápido possível indo para a superfície.
É somente na superfície que resta espaço para essas moléculas se alojarem após agitação.
FIGURA 13: Esquema da Molécula de Sabão e Bolha Formada
4.4 - Parte 4 – Separação de ácidos graxos
R — COOK + + H+ —> R—COOH + K+
Em nosso experimento foi observado esse fenômeno, houve, portanto, a divisão da mistura em duas fases.
4.5 - Parte 5 – Ressaponificação
A adição de NaOH a solução aquosa aquecida contendo ácido graxo provoca a ressaponificação do mesmo, reconhecida pela formação de espuma.
FIGURA 14: Reação de Ressaponificação
4.6 - Parte 6 – Propriedades emulsificantes dos sabões
Como já dito anteriormente as forças intermoleculares são responsáveis pela capacidade de dissolução de um soluto em um solvente, há, portanto, a quebra e a formação de ligações intermoleculares.
Quando a água interage com outras substâncias, que possuem nível de interação molecular muito mais fracos, por exemplo, óleo, verifica-se que as moléculas de água tendem a ficar juntas, simplesmente porque se atraem muito mais fortemente do que o fazem com as moléculas do solvente. Esta "aglomeração" prossegue até as duas substâncias terem formado duas fases distintas, uma consistindo de água com uma quantidade muito pequena de soluto e a outra consistindo de soluto contendo uma quantidade pequena de água.
Esse fenômeno foi observado em nosso experimento quando adicionamos óleo de soja à água.
Porém, quando repetimos o mesmo teste e adicionamos gotas de sabão observamos a formação de uma solução de única fase esbranquiçada.
Como já foi visto, a molécula que constitui o sabão possui características anfipáticas, possui diferentes forças intermoleculares presentes em sua molécula, uma parte com característica iônica, e outra parte forma por cadeia carbônica.
Isso possibilita que o sabão se dissolva em substâncias iônicas como a água e em hidrocarbonetos como gorduras simultaneamente. É essa propriedade que permite a capacidade de limpeza dos sabões.
Como podem ser explicadas as diferenças de solubilidade do óleo de soja nos diferentes solventes usados no experimento?
A diferença de solubilidade do óleo de soja nos diversos solventes usados no experimento ocorre devido ao caráter polar ou apolar das substancias envolvidas na mistura. Esse caráter é muito influenciado pelas forças intermoleculares presentes nos compostos envolvidos. O óleo de soja, sendo um composto apolar se dissolve melhor em compostos apolares, onde existe uma regra que pode ser seguida onde semelhante dissolve semelhante. É por isso o óleo não se dissolve em água, pois esta é uma molécula totalmente polar, devido aos elétrons estarem mais concentrados na região do oxigênio da molécula. Entre os solventes, existem aqueles que são mais apolares, portanto ocorre também maior dissolução, como no caso da acetona em relação ao éter etílico.
Qual a importância da determinação da solubilidade do óleo de soja em diferentes solventes para a parte de extração de óleo vegetal a partir da soja?
È de fundamental importância a determinação da solubilidade para a confecção de soluções a partir do óleo, como por exemplo para o ramo da culinária, onde é imprescindível a verificação do seu comportamento no organismo humano.
Por que se utiliza etanol na reação de saponificação?
Na reação de saponificação, são aquecidos uma base forte (geralmente NaOH ou KOH) e um triacilglicerídio para formar o glicerol (álcool) e o sabão (sal). O etanol é utilizado antes da reação acontecer pois, durante o aquecimento, ele ajuda a indicar o término da reação - quando o odor característico do etanol desaparece.
Se o sabão é feito de óleos e gorduras, como é capaz de limpar superfícies engorduradas? Como o sabão remove a sujeira?
Uma molécula de sabão tem uma extremidade polar e outra não polar, a extremidade polar é solúvel em água e a parte apolar é insolúvel em água e tem afinidade por óleos e gorduras. De acordo com a regra "polar dissolve polar; apolar dissolve apolar", cada extremidade apolar procura um ambiente apolar nomeio aquoso, e o único ambiente deste tipo existente são as partes apolares das outras moléculas do sabão, e assim elas se agregam umas às outras no interior da micela, gotículas microscópicas de gordura envolvidas por moléculas de sabão, orientadas com a cadeia apolar direcionada para dentro (interagindo com o óleo) e a extremidade polar para fora (interagindo com a água).
Concluí-se que é por causa da gordura da composição do sabão, que ele dissolve a gordura à ser limpa, devido a característica apolar de ambas, o que faz com que elas se atraiam.
O estudo das fases de formação de sabões desde a extração do óleo de soja até a investigação de suas propriedades ajudou a desvendar o quanto é complexo este ramo da bioquímica, especialmente as caracterizações dos lipídeos. A estrutura molecular pode influenciar nas propriedades dos produtos saponificáveis em diversas concentrações de solventes. Foi possível visualizar a formação de micelas em um tubo de ensaio quando observávamos a "mudança" de PH de uma solução saponificável. A eficácia demonstrada nos experimentos demonstra que na prática os sabões têm ótimo poder de limpeza e que também pode ser prejudiciais ao meio ambiente quando utilizados de forma incorreta, fato é que, a formação de espuma ficou evidenciada nas diversas concentrações e agitações nos tubos de ensaio.
- VOET, Donald; VOET, Judith G.: Bioquímica. 3ª Ed. Artmed: Porto Alegre, 2006.
- LEHNINGER, Albert L.; NELSON, David L.; COX, Michael M.: Princípios de bioquímica. 4ª Ed. Sarvier: São Paulo, 2006.
- Transformações Bioquímicas (Aula 06): Lipídios, estrutura e função. Professora Dra. Nídia Alice Pinheiro. UFABC, 2009.
- CDCC – Setor de Química/USP. Experimentos de ensino médio: Propriedades de Sabão. Fonte: http://www.cdcc.sc.usp.br/quimica/index.html. Acesso em: 11/12/2009.
- http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_27.htm
Oléo saponificação
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