Las fibras vegetales o también llamados materiales lignocelulósicos, se encuentran constituidos por tres polímeros estructurales - celulosa, hemicelulosa y lignina - y una serie de compuestos de bajo peso molecular solubles en agua (fracción hidrosoluble) o solventes orgánicos (los denominados extraíbles) (Juarez, 2002).
También existen bajo contenido de proteína y sales minerales (denominadas cenizas luego de la combustión). La celulosa es el componente mayoritario (sobre un 50%), seguida de la lignina (alrededor de un 20%) y de la hemicelulosa (alrededor de un 15%). Histológicamente, existe mayor porcentaje de lignina en la lámina media, que es la capa externa que une las paredes celulares de las fibras contiguas en los tejidos lignificados. El resto de las capas de la pared vegetal, están principalmente constituidas por celulosa y hemicelulosa, aunque presentan también un cierto contenido de lignina. (Flores, 2011)
Figura N° 1.4. Representación esquemática de las principales constituyentes de la pared celular vegetal (Celulosa lignina y hemicelulosa). (Flores,
Este esquema muestra las microfibrillas de celulosa formadas por cadenas lineales de glucosa, inmersas en una matriz amorfa de lignina, en la que también se incluye la hemicelulosa, formada por cadenas ramificadas de pentosas unidas por enlaces laterales. En la pared secundaria la lignina forma una matriz amorfa que protege a los polisacáridos frente a la degradación microbiana y la en la pared secundaria la lignina forma una matriz amorfa que protege a los polisacáridos frente a la degradación microbiana y la hidrólisis enzimática en general. En la pared vegetal existen enlaces inter-polímeros que pueden ser directos, enlaces éter entre OH alcohólicos (de los polisacáridos) y fenólicos (de la lignina), o a través de puentes formados por los ácidos p-hidroxicinámicos. Estos últimos son precursores de la lignina, pero en muchas plantas herbáceas se encuentran también en forma libre (incluidos en la fracción extraíble) (Flores, 2011) (Netraval, 2003)
La pared de las fibras está principalmente compuesta por tres tipos de polímeros: la celulosa, las hemicelulosas y la lignina. Estos polímeros difieren en su composición molecular y estructural y por lo tanto muestran diferentes propiedades físicas. La cantidad de celulosa determina la resistencia mecánica de la fibra, mientras que la lignina protege a la fibra del medio ambiente, principalmente del agua (Netraval, 2003)
A.Celulosa
Es un polímero lineal constituido por unidades de monómeros de β glucosa unidos entre sí por enlaces glucosídicos β (1-4), formando moléculas de celobiosa, la cual es la unidad que se repite en la cadena polimérica. El enlace glucosídico es de tipo covalente, y le permite a la celulosa que sea insoluble en agua. La molécula de celulosa también forma enlaces de hidrógenos intra e intermoleculares. Estos enlaces tienen una gran importancia en lo que respecta a la morfología, rigidez, orientación, resistencia y reactividad de las cadenas celulósicas (Kabir, Wang, Lau y Cardona, 2013).
Figura N° 1.5. Molécula de celulosa (polímero de glucosa con enlaces β 1 – 4 (Flores, 2011).
Cada unidad de β glucosa contiene tres grupos hidroxilos que forman enlaces puente de hidrogeno intramoleculares con las unidades de glucosa adyacentes, generando numerosas cadenas de celulosa paralelas entre si denominadas microfibrillas. Estos enlaces intramoleculares son los responsables de cierta rigidez de las cadenas glucosídicas, y de elevada resistencia química a las reacciones de hidrólisis.
Figura N° 1.6. Modelo de moléculas de celulosa unidas por puente de hidrogeno (Flores, 2011).
Propiedades que la celulosa le confiere a la fibra natural.
Los estudios basados en varios métodos físicos y químicos han indicado que las microfibrillas contienen dos regiones diferenciadas. La primera llamada zona cristalina, formada por moléculas de celulosa ordenadas y la otra denominada amorfa, constituida por moléculas de celulosa menos ordenadas. El efecto que tiene el grado de orden o cristalinidad sobre las propiedades de una fibra celulósica, como tenacidad, elongación y elasticidad, se encuentra relacionado con la cantidad y características de celulosa en las fibras. (Flores, 2011)
Los enlaces de puente de hidrogeno intermoleculares son los que unen las cadenas contiguas de celulosa con cierto grado de ordenamiento, originando fibrillas compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. El ordenamiento
de las cadenas de celulosa origina zonas de alta cristalinidad. Esta zona es poco reactiva debido a la falta de penetrabilidad de los reactivos y solventes. Las moléculas de celulosa también presentan zonas desordenadas que dan como resultado a regiones amorfas que son más reactivas bajo la acción de agentes químicos, pero que no afectan a la estructura cristalina (Pluddemann, 1974)
El peso molecular es muy elevado y variable, este especifica el número de unidades de glucosa que constituyen la molécula lineal, y cuya fórmula empírica es (C6H10O5)n en donde “n” es el grado de polimerización.
Figura N° 1.7. Enlace de un monosacárido (glucosas) 1-4 de la estructura de β glucosa (Flores, 2011).
B.Hemicelulosa
Las hemicelulosas se identifican como substancias de soporte o de almacenamiento, que presentan menor resistencia química y mecánica que la celulosa; su función principal en las fibras es ser intermediaria entre la celulosa y la lignina, tal vez facilitando la incrustación de microfibrillas. La hemicelulosa forma una estructura intermolecular poco ordenada, debido a esta característica, la hemicelulosa es el polímero de la pared de la fibra y es responsable de la mayor capacidad de absorción de agua, biodegradación y degradación térmica de la fibra. Las hemicelulosas se encuentran asociadas con la celulosa mediante fuertes interacciones polisacárido - polisacárido, en las cuales no existe ningún enlace químico, pero sí suficiente adhesión mutua, fortalecida por los puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der
Figura N° 1.8. Xilosa, β (1,4) – manossa - β (1,4) – glucosa – α (1,3) galactosa. (Mwaikamboa, 2002)
Las hemicelulosas se diferencian de la celulosa en tres aspectos importantes. En primer lugar, las hemicelulosas contienen diferentes tipos de monosacáridos mientras que la celulosa contiene solamente las unidades de P-glucopiranosa. En segundo lugar, las hemicelulosas son cadenas cortas que presentan un alto grado de ramificación de la cadena principal, mientras que la celulosa es un polímero estrictamente lineal. Por último, el grado de polimerización de la hemicelulosa es de diez a cientos de veces menor que las cadenas de celulosa. A diferencia de la celulosa, el tipo, variedad y contenido de la hemicelulosa difieren de una planta a otra (Bisanda, 2000), (Mwaikamboa, 2002)
C.Lignina
La lignina es un polímero aromático hidrocarbonato de alto peso molecular, que es producto de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos como el cumarílico, coniferílico, sinapílico y otros. No existe una fórmula definida genérica para la lignina, pues el arreglo y tipo de estructuras varían de una planta a otra. Sin embargo, se han propuesto numerosos modelos que representan una aproximación a su estructura, uno de ellos se puede ver en la figura N° 1.9. (Mwaikamboa, 2002)
Funciones:
Proteger a la celulosa del ataque microbiano.
Conferir resistencia e impermeabilidad al material.
Mantener unidas las fibras celulósicas.
Unidades:
La síntesis de la lignina es un proceso de polimerización cuyos precursores son los alcoholes p-hidroxicinamilicos.
Figura N° 1.9. Alcoholes silanicos (Netraval, 2003).
Además, la lignina brinda protección contra la humedad y los agentes atmosféricos, proporciona rigidez a la pared celular, pero la principal es la de adhesivo para aglutinar las cadenas de microfibrillas celulósicas que componen la fibra entera, aumentando la resistencia mecánica de la fibra; sin embargo, sus propiedades mecánicas son menores que las de celulosa. La lignina es térmicamente estable, pero es la responsable de la degradación UV. El contenido de lignina en las fibras influencia tanto en su estructura como en las propiedades y la morfología. La lignina es un producto final inerte del metabolismo vegetal y solamente es degradada lentamente por microorganismos (Mwaikamboa, 2002).
Figura N° 1.10. Estructura química de la lignina (Nilza et al., 2008).