Lignin from pine (Pinus spp.) residual sawdust : characterization, antioxidant activities and application in the synthesis of silver nanoparticules

Abstract

Resumo: A biomassa é um recurso renovável e amplamente disponível, com grande potencial para fomentar o desenvolvimento da bioeconomia por meio da ideia de biorrefinaria. Dentro do conceito abrangente de biomassa, os materiais lignocelulósicos têm um interesse especial devido à sua estrutura, a qual é composta majoritariamente por celulose, hemicelulose e lignina, podendo ser fracionada para diversas aplicações. Isso, no entanto, requer métodos adequados para recuperar um componente de interesse sem degradar outro. Ao longo do tempo, a pesquisa relacionada ao beneficiamento dos carboidratos lignocelulósicos (celulose e hemicelulose) recebeu muita atenção, enquanto que o interesse pela lignina é recente. Por ser uma fonte de compostos fenólicos, atualmente a lignina tem entusiasmado pesquisas, as quais empregam métodos distintos de recuperação e buscam testar aplicações deste biopolímero como antioxidante e na síntese de nanopartículas, por exemplo. De acordo com o conceito de biorefinaria, os resíduos lignocelulósicos são fontes atrativas de lignina, pois, como um subproduto, demandam um descarte adequado, de modo que a sua utilização em outro processo torna-se conveniente. A indústria brasileira de madeiras, por exemplo, produz abundantes quantidades de serragem, um resíduo proveniente do processamento mecânico realizado nas serrarias, as quais utilizam predominantemente os gêneros Pinus e Eucalyptus. Frente a esse panorama, o objetivo deste estudo foi recuperar a lignina da serragem residual de pinus (PRS) e avaliá-la como antioxidante e na síntese de nanopartículas de prata (LAgNPs) para utilização como agente antimicrobiano. Porém, os carboidratos hemicelulósicos primeiramente foram extraídos por meio de um pré-tratamento ácido diluído e os sólidos remanescentes foram então submetidos a um tratamento alcalino para a recuperação da lignina em três temperaturas distintas. As ligninas recuperadas em cada temperatura foram caracterizadas por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (F-TIR), Ressonância Magnética Nuclear (NMR) e termogravimetria. Também foi avaliado o teor de fenóis totais (TPC) presente em cada lignina, assim como suas respectivas atividades antioxidantes pelos métodos DPPH· e ABTS+. Em seguida as LAgNPs foram sintetizadas e analisadas por F-TIR, espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e utilizadas como agente antimicrobiano com bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus e Bacillus subtilis) e Gram-negativas (Escherichia coli e Salmonella typhimurium). Os resultados encontrados foram satisfatórios, indicando, portanto, algumas possíveis aplicações para a PRSL. Além disso, essa abordagem com a PSR também serve para instigar o desenvolvimento da biorrefinaria na indústria madeireira através do uso dos seus subprodutos de maneira a agregar valor ao referido resíduo.

Abstract: Biomass is a renewable and widely available resource with great potential to boost the bioeconomy development through the idea of biorefinery. Within the comprehensive concept of biomass, lignocellulosic materials are of particular interest because of their structure, composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, which can be fractionated for various applications. This, however, requires suitable methods to recover one component of interest without degrading another. Over time, research on the processing of lignocellulosic carbohydrates (cellulose and hemicellulose) has received a lot of attention, while interest in lignin is recent. As a source of phenolic compounds, lignin has been addressed by many studies, which apply different methods of recovering and propose applications for this biopolymer such as natural antioxidant and in the synthesis of nanoparticles. According to the concept of biorefinery, lignocellulosic residues are an attractive source of lignin because, as a by-product, they require an adequate disposal, so that their use in another process becomes convenient. The Brazilian timber industry, for example, produces abundant amounts of sawdust, a residue from the mechanical processing performed at sawmills, in which the genera Pinus and Eucalyptus are predominantly utilized. In this sense, the aim of this study was to recover lignin from pine residual sawdust (PRS) and evaluate it as an antioxidant and in the synthesis of silver nanoparticle (LAgNPs) for using as antimicrobial agent. First, hemicellulosic carbohydrates were extracted by dilute acid pretreatment and the remaining solids were then subjected to an alkaline treatment in order to recover the lignin at three temperatures. The lignins recovered at each temperature were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (F-IRR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and thermogravimetry. The total phenol content (TPC) present in each lignin was evaluated as well as their respective antioxidant activities by the DPPH· and ABTS+ methods. Then LAgNPs were synthesized and analyzed by F-TIR, dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM) and used as antimicrobial agent with Gram-positive (Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis) and Gram-negative bacteria (Escherichia coli and Salmonella typhimurium). The results obtained herein were satisfactory, indicating, therefore, some possible applications for PRSL. In addition, this approach with PSR also serves to instigate the development of biorefinery in the timber industry through the use of its by-products in order to add value to that residue.