Biorrefinaria de resíduos da agroindústria brasileira : processos químicos e enzimáticos para a geração de bioprodutos
Resumo
Resumo: Nos últimos anos, a biorrefinaria de biomassa lignocelulósica destaca-se como uma opção sustentável e viável para a produção de biocombustíveis e produtos químicos de interesse industrial. Contudo, a conversão das biomassas lignocelulósicas em bioprodutos envolve tratamentos, como os físicos, químicos, biológicos ou a associação entre eles. Cada processo de tratamento selecionado deve ser adaptado às características da biomassa a ser utilizada (composição química e estrutural) para um rendimento ótimo em produtos, assim como atender a aspectos econômicos e metas ambientais. Neste trabalho, o efeito de pré-tratamentos químicos e enzimáticos (individuais e combinados) foi avaliado na geração de bioprodutos, como açúcares redutores e compostos fenólicos, a partir da casca de arroz, bagaço de cana, bagaço de uva e casca de jaboticaba. As biomassas foram caracterizadas por métodos físicoquímicos, espectrométricos (FTIR) e de microscopia (MEV) antes e após os tratamentos. As frações líquidas foram avaliadas espectrofotometricamente e cromatograficamente. As biomassas apresentaram grande variação percentual de lignina e carboidratos (celulose e hemicelulose) em sua composição estrutural. A casca de jaboticaba apresentou a menor porcentagem de lignina (11,92%) e a maior de carboidratos (70,08%). O bagaço de cana apresentou a maior porcentagem de lignina (20,96%), e a casca de arroz a menor porcentagem de carboidratos (59,02%), similar àquela encontrada no bagaço de cana (59,85%). Após os tratamentos químicos (alcalino e solvente/ácido) das matrizes e análise cromatográfica das frações líquidas, observou-se que: (a) o bagaço de uva foi a melhor fonte de ácido gálico, epicatequina e procianidina B2; (b) a casca de arroz apresentou as maiores concentrações de quercetina-3, ácido elágico, ácido caféico, ácido siríngico, ácido pcumárico, naringina e catequina, (c) o bagaço de cana liberou as maiores concentrações de ácido clorogênico, ácido vanílico, ácido ferúlico e ácido transcinâmico. A casca de jaboticaba e o bagaço de uva foram as fontes mais significativas de açúcares redutores após o tratamento químico alcalino (6,7 e 6,25 g L-1, respectivamente). O tratamento enzimático com lacases aplicado nas biomassas resultantes do tratamento alcalino demonstrou que a remoção de lignina foi maior em condições tamponadas (pH 5,0). A sacarificação enzimática das amostras previamente tratadas com lacases foi geralmente mais eficiente nas condições com as maiores atividades de lacases (1 U mL-1) e celulases (10 U mL-1). A casca de jaboticaba e o bagaço de cana tratados em reação alcalina e enzimaticamente (processo não simultâneo com lacases e celulases) apresentaram a maior liberação de açúcares redutores (12,44 e 12,41 g L-1, respectivamente). Em um processo simultâneo de tratamento das biomassas com lacases e celulases, observou-se um efeito negativo na liberação de açúcares redutores, principalmente no bagaço de uva e casca de jaboticaba, podendo estar relacionado a alterações estruturais causadas pelas lacases na fração de celulose. Os tratamentos químicos e biológicos avaliados neste trabalho evidenciam o potencial de resíduos da agroindústria brasileira para obtenção de compostos fenólicos bioativos (os quais podem ser direcionados para segmentos das indústrias farmacêutica, alimentícia e de cosméticos) e açúcares para processos fermentativos. Os métodos enzimáticos aplicados individualmente podem contribuir de forma "verde" para o tratamento e valorização de biomassas Abstract: In recent years, the lignocellulose biomass biorefinery has emerged as a sustainable and viable option to produce biofuels and chemicals of industrial interest. However, the conversion of lignocellulose biomass into bioproducts involve treatment systems, such as physical, chemical, biological or a combination of them. Each treatment process must be adapted to the characteristics of the biomass to be used (chemical and structural composition) for optimal yield in products, as well as meet economic aspects and environmental goals. In this work, the effect of chemical and enzymatic pretreatments (individual and combined) was evaluated on the generation of bio-products, such as renewable sugars and phenolic compounds, from rice husks, sugarcane bagasse, grape pomace and jaboticaba peels. The biomasses were characterized by physicochemical, spectrometric (FTIR) and microscopic (MEV) methods before and after the treatments. Liquid fractions were evaluated spectroscopically and chromatographically. The biomasses showed great variation in the percentage of lignin and carbohydrates (cellulose and hemicellulose) in their structural composition. The peels of jaboticada presented the lowest percentage of lignin (11.92%) and the highest amount of carbohydrates (70.08%). Sugarcane bagasse had the highest percentage of lignin (20.96%), and rice husks had the lowest percentage of carbohydrates (59.02%), like that found in sugarcane bagasse (59.85%). After chemical treatments (alkaline and solvent/acid) of the matrices and cromatographic analysis of the liquid fractions, it was observed that: (a) grape pomace was the best source of gallic acid, epicatechin and procyanidine B2; (b) rice husks showed the highest concentrations of quercetin-3, ellagic, caffeic, siringic, p-cumaric, naringine, and catechin, (c) sugarcane bagasse released the highest concentration of chlorogenic, vanylic, ferulic, and transcinamic acid. Jaboticaba peels and grape pomace were the most significant sources of reducing sugars after alkaline chemical treatment (6.7 and 6.25 g L-1 , respectively). Enzymatic treatment with lacases applied to the biomasses resulting from alkaline treatment demonstrated that the removal of lignin was greater under buffered conditions (pH 5,0). The enzymatic saccharification of samples previously treated with laccases was generally more efficient in conditions with the highest activity of laccases (1 U mL-1) and cellulases (10 U ml-1). The jaboticaba peels and sugarcane bagasse treated in alkaline and enzymatic reaction (non-simultaneous process with laccases and cellulases) showed the highest release of reducing sugars (12.44 and 12.41 g L-1, respectively). In a simultaneous process of treatment of biomasses with laccases and cellulases, a negative effect on the release of reducing sugars was observed, especially in grape pomace and jaboticaba peel, which may be related to structural changes caused by laccases in the cellulose fraction. The chemical and biological treatments evaluated in this work show the potential of Brazilian agroindustry residues to obtain bioactive phenolic compounds (which can be directed to segments of the pharmaceutical, food and cosmetics industries) and sugars for fermentative processes. Enzymatic methods applied individually can contribute in a "green" way to the treatment and valorization of biomass
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