Study of thermal behavior of phytic acid

ABSTRACT

Phytic acid is a natural compound widely used as depigmenting agent in galenic cosmetic emulsions. However, we have observed experimentally that phytic acid, when heated to 150 ºC for around one hour, shows evidence of thermal decomposition. Few studies investigating this substance alone with regard to its stability are available in the literature. This fact prompted the present study to characterize this species and its thermal behavior using thermal analysis (TG/DTG and DSC) and to associate the results of these techniques with those obtained by elemental analysis (EA) and absorption spectroscopy in the infrared region. The TG/DTG and DSC curves allowed evaluation of the thermal behavior of the sample of phytic acid and enabled use of the non-isothermal thermogravimetric method to study the kinetics of the three main mass-loss events dehydration I, dehydration II and thermal decomposition. The combination of infrared absorption spectroscopy and elemental analysis techniques allowed evaluation of the intermediate products of the thermal decomposition of phytic acid. The infrared spectra of samples taken during the heating process revealed a reduction in the intensity of the absorption band related to O-H stretching as a result of the dehydration process. Furthermore, elemental analysis results showed an increase in the carbon content and a decrease in the hydrogen content at temperatures of 95, 150, 263 and 380 °C. Visually, darkening of the material was observed at 150 °C, indicating that the thermal decomposition of the material started at this temperature. At a temperature of 380 °C, thermal decomposition progressed, leading to a decrease in carbon and hydrogen. The results of thermogravimetry coupled with those of elemental analysis allow us to conclude that there was agreement between the percentages of phytic acid found in aqueous solution. The kinetic study by the non-isothermal thermogravimetric method showed that the dehydration process occurred in two stages. Dehydration step I promoted a process of vaporization of water (reaction order of zero), whereas dehydration step II showed an order of reaction equal to five. This change in reaction order was attributed to loss of chemically bonded water molecules of phytic acid or to the presence of volatile substances. Finally, the thermal decomposition step revealed an order of reaction equal to one. It was not possible to perform the kinetic study for other stages of mass loss.

RESUMO

O ácido fítico é um composto natural muito utilizado como despigmentante em emulsões cosméticas magistrais. No entanto, observou-se experimentalmente que o ácido fítico, quando aquecido a 150 °C durante cerca de uma hora, mostra evidências de decomposição térmica e que poucos estudos envolvendo essa espécie, isoladamente quanto a sua estabilidade, estão disponíveis na literatura. Esse fato motivou o estudo de caracterização e de comportamento térmico dessa espécie, empregando a análise térmica (TG/DTG e DSC) e associando os resultados obtidos com aqueles de análise elementar (AE) e espectroscopia de absorção na região do infravermelho. As curvas TG/DTG e DSC permitiram avaliar o comportamento térmico da amostra de ácido fítico e, com isso, foi possível estudar, pelo método termogravimétrico não isotérmico, a cinética dos três principais eventos de perda de massa, o de desidratação I, desidratação II e de decomposição térmica. A associação das técnicas de espectroscopia de absorção no infravermelho e análise elementar permitiu avaliar os produtos intermediários da decomposição térmica do ácido fítico. Os espectros no infravermelho de amostras isoladas durante o aquecimento evidenciaram a diminuição de intensidade da banda de absorção relativa ao estiramento do grupo O-H como consequência do processo de desidratação. Também, os resultados de análise elementar indicaram que nas temperaturas de 95, 150 e 263 ºC houve aumento no teor de carbono e diminuição do teor de hidrogênio. Visualmente, observou-se o escurecimento do material a 150 ºC, indicando que a decomposição térmica do material iniciou-se nessa temperatura. Na temperatura de 380 ºC, a diminuição do teor de carbono e hidrogênio foi devido ao avanço do processo de decomposição térmica. Os resultados da termogravimetria juntamente com aqueles da análise elementar permitiram concluir que há concordância entre as percentagens de ácido fítico encontrado na solução aquosa. O estudo cinético pelo método termogravimétrico não isotérmico mostrou que o processo de desidratação ocorreu em duas etapas. Na etapa I da desidratação ocorreu um processo de vaporização de água (ordem de reação igual a zero). Na etapa II da desidratação foi encontrada uma ordem de reação igual a cinco. Essa mudança na ordem de reação foi atribuída à perda de moléculas de água quimicamente ligada, ao ácido fítico ou à presença de substâncias voláteis. Finalmente, na etapa de decomposição térmica foi observado que a ordem da reação foi igual a um. Para as outras etapas de perda de massa não foi possível a realização do estudo cinético.