Estrutura da biomassa Lignocelulósica

Apesar da grande diversidade na morfologia da parede celular de plantas, elas são basicamente classificadas em dois grandes grupos, paredes primária e secundária. A parede primária é formada por células generalistas, que podem diferenciar-se em diferentes tipos celulares e estão em crescimento constante. Essa parede é formada por microfibrilas de celulose envolvidas por uma matriz altamente hidratada conferindo à célula força e flexibilidade, permitindo que a célula possa crescer. A matriz da parede celular consiste de dois grupos principais de polissacarídeos, hemiceluloses e pectinas. Essa matriz de polissacarídeos consiste numa variedade de polímeros que variam de acordo com o tipo celular e espécie da planta (figura 17).

A parede secundária, é a parede celular formada após o término do crescimento celular. Geralmente é grossa, rica em fibras e outras células que conferem suporte mecânico à planta. Apesar das diferenças da composição de monossacarídeos serem pequenas em um mesmo tipo de parede celular, o modo como os polimeros são arranjados nas paredes de cada tecido pode variar consideravelmente. Células do xilema, como as encontradas em madeiras, são conhecidas por tornar a parede secundária grossa e rica em lignina. A diferença entre a parede secundária e a parede primária é que a parede secundária possui grande porcentagem de celulose, diferentes hemiceluloses e a matriz de pectinas é substituída por lignina (Taiz & Zeiger, 2010).

Figura 17: Diagrama esquemático dos componentes estruturais da parede celular primária e seus arranjos. As microfibrilas de celulose são revestidas com hemiceluloses (como as xiloglicanas), que podem interligar as microfibrilas umas as outras. As pectinas formam um bloqueio de matriz e interage com proteínas estruturais (modificada de Taiz & Zeiger, 2010).

A biomassa lignocelulósica é composta principalmente por polímeros de celulose, hemicelulose e lignina ligados por uma estrutura complexa, representando cerca de 70% da biomassa vegetal (Jorgensen et al. 2007). Cada tipo de biomassa, como bagaço de cana de açúcar, palha de arroz, palha de trigo e palha de milho, possuem porcentagens diferentes em sua composição química (tabela 7). O bagaço é composto por 19-24% de lignina, 27-32% de hemicelulose e 32-44% de celulose (Jacobsen & Wyman, 2002).

Tabela 7: Composição química de resíduos agroindustriais (in Sarkar et al., 2012)

Substrato Celulose (%) Hemicelulose (%) Lignina (%) Proteína (%)

Palha de arroz 32-47 19-27 4,24

Palha de trigo 35-45 20-30 5,15 3,1

Palha de milho 42,6 21,3 8,2 5,1

Bagaço de

cana de açúcar 32-44 27-32 19-24 3

Substrato Glicose (%) Xilose (%)

Galactose (%) Arabinose (%) Palha de arroz 41-43,4 14,8-20,2 0,4 2,7 Palha de trigo 38,8 22,2 2,7 4,7 Palha de milho 39 14,8 0,8 3,2 Bagaço de cana de açúcar 38,1 23,3 1,1 2,5

As paredes celulares podem ser consideradas estruturas modulares na qual diferentes proporções de classes de polímeros associados formam compostos através de interações não covalentes. Diferentes funções dessas estruturas irão depender do arranjo dos polímeros na parede celular, conhecido como arquitetura da parede celular (McCann & Roberts, ). Os principais elementos estruturais que formam a estrutura detalhada da parede celular são a cadeia principal, ramificações contendo elementos carboidratos e não

carboidratos. A partir do entendimento da estrutura detalhada de paredes principais de hemicelulose, Buckeridge & de Souza (2014), propuseram o código glicomico. Difinido como a diversidade de resultados encriptados dos mecanismos biossintéticos dos polissacarídeos da parede celular da planta que formam os domínios da estrutura detalhada, o código glicomico é responsável pela formação dos compostos do polímero com diferentes níveis de interação e recalcitrância a hidrólise. Regiões dos polissacarídeos hidrolizados por endoglucanases são definidas por pexons e porções ramificadas dos polímeros que são bloqueadas ao ataque de endoenzimas são definidas por pointrons. Do ponto de vista biotecnológica para produção do bioetanol de segunda geração, o entendimento do código glicomico auxiliará na hidrólise enzimática eficiente de regiões recalcitrantes da parede celular.

1.2.1.1 Celulose

A celulose é um dos principais constituintes da parede celular vegetal formada por monômeros de D-glicose ligadas por ligações β-1,4-glicosídicas que formam moléculas de celobiose. As celobioses formam longas cadeias, chamdas de fibrilas, que são ligadas por ligações de hidrogênio e por forças de van der Waals (Peréz et al., 2002) (figura 18). As microfibrilas, formadas por um conjunto de fribrilas, são altamente organizadas, rígidas, cristalinas, de difícil acesso pelas enzimas e resistentes à degradação. Possuem algumas regiões amorfas na cadeia de celulose que são suscetíveis ao ataque enzimático. A hemicelulose e pectina envolvem a microfibrila, formando uma rede coesa e atuando como um revestimento para evitar atrito entre as microfibrilas (Carpita & Gibeaut 1993).

Figura 18: Celobiose. Ligação β-1,4-glicosídica entre dois resíduos de glicose em orientação invertida (modificada de Taiz & Zeiger, 2010).

1.2.1.2 Hemicelulose

A hemicelulose é uma estrutura amorfa e variável. É formada por unidades heteropolímeros que incluem as hexoses como as D-glicoses, D-galactoses e D-manoses; pentoses como as D-xiloses e L-arabinoses; e ácidos urônicos como as D-galacturônicos, D- glicurônicos e ácidos metilglucurônicos (Limayem & Ricke, 2012). Os açúcares são unidos por ligações glicosídicas β-1,4 e ocasionalmente β-1,3. As hemiceluloses mais abundantes, a xilana e xiloglicana, contém ligações glicosídicas β-1,4 e possui várias ramificações composta de monômeros de xilose e galactose. As ramificações da cadeia principal tem

função de prevenir que a xiloglicana se transforme em uma microfibrila cristalina. A composição precisa da hemicelulose é extremamente dependente da espécie da planta e tecidos (Scheller & Ulvskov, 2010) (figura 19).

Figura 19: Estrutura parcial da hemicelulose xiloglicana (modificada de Taiz & Zeiger, 2010).

1.2.1.3 Lignina

A lignina é o terceiro complexo fenólico mais abundante na natureza. Está presente na parede celular das plantas e confere rigidez, impermeabilidade, resistência contra ataque microbiano e estresse oxidativo. A lignina é uma rede de heteropolimeros amorfa de fenilpropanóides monoméricos como, o cumaril, coniferil e álcool sinapil, que se ligam por diferentes tipos de ligações (Hendricks & Zeeman, 2009). Lignina é geralmente aceita como a cola que liga os diferentes componentes da biomassa lignocelulósica e o mantém insolúvel em água. Devido a sua próxima associação com as microfibrilas de celulose, a lignina tem sido identificada como maior impedimento a hidrolise enzimática e microbiana da biomassa lignocelulósica (Avgerinos & Wang, 1983; Pérez et al., 2002).

1.2.1.4 Pectina

!

Outro polímero presente na parede celular das plantas é a pectina. Algumas plantas como casca de citrus são ricas em pectina (Angel Siles Lopez et al. 2010). Semelhante a hemicelulose, a pectina é composta por um grupo heterogêneo de açúcares. A cadeia principal da pectina, consiste principalmente de açúcares ácidos como ácido galactorônico e açúcares neutros como raminose, galactose e arabinose. As pectinas são classificadas em basicamente três grupos, homogalacturonana, que é um polímero linear de ligação 1-4 α-D- ácido galacturônico, xilogalacturonana, que é um polímero ramificado por ligações β-1,3- xilosídicas e ramnogalacturonana, que é uma cadeia extensa e longa de resíduos alternados de 1-4 α-D-ácido galacturônico e 1-2 α-D-ácido rhamnose (Ridley et al. 2001; Wong, 2008) (figura 20).

Figura 20: Estrutura parcial da pectina. A) rhamnogalacturonan; B) homogalacturonan (modificada Taiz & Zeiger, 2010).