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Função dos componentes não celulósicos na recalcitrância da parede celular

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Academic year: 2021

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(1)

Função dos componentes não celulósicos na

recalcitrância da parede celular

Papel da lignina

André Ferraz

Departamento de Biotecnologia

Escola de Engenharia de Lorena

Universidade de São Paulo

(2)

Outline

- Variação natural de recalcitrância em diferentes tipos celulares -

gramíneas como modelo de estudos devido a grande variabilidade

de tipos celulares

- Lignina como maior causador natural da recalcitrância

Ref. básicas:

1. Ferraz A, Costa THF, Siqueira G, Milagres AMF 2013 Mapping of cell wall components in lignified biomass as a tool to understand recalcitrance . Silva SS, Chandel AK (eds.), Biofuels in Brazil, Springer, pp. 173-202

2. Jung HG, Casler MD 2006 Maize stem tissues: impact of development on cell wall degradability. Crop Sci 46:1801–1809

3. Siqueira GA, Milagres AMF, Carvalho W, Koch G, Ferraz A (2011) Topochemical distribution of lignin and hydroxycinnamic acids in sugar-cane cell walls and its correlation with the enzymatic hydrolysis of

(3)

Definição empregada nesta disciplina:

The term refers to the restrictions imposed by the lignified

cell walls to the polysaccharide hydrolysis

(by enzymes or even by acids in water solution)

Recalcitrância: termo usualmente empregado para mencionar a

dificuldade que existe para se desconstruir a parede celular vegetal

(4)

Lignin and hemicelluloses are the major components limiting

enzyme infiltration into the cell walls

Cell wall SEM

Cell wall models

Veremos que o foco da

desconstrução da parede celular é a

hidrólise enzimática da celulose

Pense: porque não se usa ácido para

(5)

Exemplo de solubilização de polissacarídeos em meio ácido (condições que afetam a reação)

Relação sólido: líquido 1:10

Máx. de monossacarídeos esperados em solução: Xilose = 26 g/L Glicose = 42 g/L HOAc = 4,5 g/L

(6)

Máx. esperados: Xilose = 26 g/L Glicose = 42 g/L Xi lose ( g /L ) Xil ose ( g /L ) Xil ose ( g /L ) Gli cose ( g /L ) Gli cose ( g /L ) Gli cose ( g /L ) 2% Acid  4% Acid ▲ 6% Acid  2% Acid  4% Acid ▲ 6% Acid  2% Acid  4% Acid ▲ 6% Acid

(7)

Jung and Casler. Crop Sci. 46:1801-1809, 2006.

Cell wall digestibility in mature maize stalks

Stem internode tissues of maize at full physiological maturity

>> after in vitro degradation by rumen microbes for 24 h

(8)

Cell anatomy in sugar cane

Rind

Pith

vascular bundles

Gramíneas como modelo de estudos

devido a grande variabilidade de tipos

celulares

(9)

Enzymatic hydrolysis of varied sugar cane regions from the internode

Rind Interface Pith Epidermis 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 C e ll u lo s e c o n v e rs io n (% ) Hydrolysis time (h) Pith Interface Rind Epidermis Epidermis Rind Interface Pith ~ 3 cm

Enzymatic hydrolysis: 10 FPU/g; 20 IU -glucosidase/g; @ 45 oC

(10)
(11)

What is different in the evaluated sugar cane regions?

Frequency of vascular bundles in varied fractions of a sugar cane internode

Volumetric and mass proportions of each sugar cane region in a sugar cane internode

Rind

Interface

Pith

Epidermis

Ep Rind Interface

Pith

Sugar cane region Number of vascular bundles/16mm2

Pith 6  1

Interface 8  1

Rind 13  2

Epidermis Only fibers

Sugar cane region

Volumetric proportion (%)

Dry mass proportion (%)

Pith 10 4.7  0.7

Interface 29 12  2

Rind 49 47  1

(12)

Chemical composition of varied fractions in a sugar cane internode

Sugar cane region

Chemical composition (%, w/w)

Extractives Glucan Xylan Arabinosyl Acetyl Insoluble lignin Soluble lignin Pith 2.9 0.2 49.3 0.7 15.4 0.2 0.1 0.1 2.40.2 14.8 0.1 2.40.1 Interface 3.0 0.1 43.8 0.1 18.8 0.1 1.4 0.1 3.2 0.1 20.4 0.1 2.4 0.3 Rind 1.3 0.1 42.0 0.5 20.4 0.2 1.1 0.1 3.0 0.2 19.8 0.1 2.0 0.3 Epidermis 3.1 0.1 42.4 0.5 19.6 0.2 1.2 0.1 2.6 0.2 20.4 0.1 1.9 0.2

Hydroxycinnamic acids (%, g/100g of in natura bagasse)

Released by mild-alkaline treatment Released by severe-alkaline treatment Ferulic Coumaric Sum Ferulic Coumaric Sum

Pith 0.49  0.05 1.4  0.2 1.9  0.2 1.5 0.1 5.3 0.7 6.8 0.7

Interface 0.50  0.08 2.0  0.4 2.5  0.4 1.60.1 8.1  0.8 9.7  0.9

Rind 0.48  0.06 2.1  0.2 2.7  0.1 1.4  0.1 6.7  0.4 8.1  0.5

Epidermis 0.34  0.08 1.3  0.4 1.6  0.5 1.6  0.1 8.1  0.8 9.7  0.9

(13)

UV-microspectrophotometry was used to map lignin and

hydroxycinnamic acids in the cell walls from these regions

UV-microscope

Example of a selected point (1 µm2) to

record the UV spectrum

(14)

Average spectrum from different cells in sugar cane

280 nm > aromatic ring substituted with oxygenated groups

315 nm

> aromatic ring conjugated with carbonyl or

alfa-beta unsaturated groups >>>

in grasses, correspond to ferulic

and coumaric acids

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) vessel fiber parenchyma -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) vessel fiber parenchyma

Rind

Pith

(15)

Similar lignin contents

Rind fibers

Abs

280 nm

=0.40

Pith

fibers

Abs

280nm

=0.39

Topochemical

distribution of lignin

Frequency histograms 0 0.1 0.2 0.3 0 0 .1 2 0 .2 0 0 .2 6 0 .3 3 0 .3 9 0 .4 6 0 .5 2 0 .5 9 0 .65 0 .72 0 .78 0 .85 0 .9 1 0 .9 7 F re q u e n ce o f p ixe ls

Absorbance values range

(16)

Rind Parenchyma

Abs

280nm

= 0.31

Lower lignin content in pith parenchyma

Pith

Parenchyma

(17)

RIND -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) untreated 1-h treated 2-h treated a -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) untreated 1h-treated 2h-treated b -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s ro b a n c e Wavelenght (nm) untreated 1-h treated 2-h treated c parenchyma fiber vessel PITH -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) untreated 1-h treated a -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) untreated 1-h treated -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 A b s o rb a n c e Wavelenght (nm) untreated 1-h treated vessel fiber parenchyma

UV-data for

rind and pith

regions after

acetic

acid/chlorite

delignification

(18)

UV-images from

sugar cane

internode cells

>> after

chlorite-induced

delignification

Siqueira et al. Biotechnol Biofuels 4:7, 2011

Lignin removal

from recalcitrant

rind regions

Cell type Rind

Untreated fibers 1-h chlorite/ acetic acid treated fibers Untreated parenchyma 1-h acetic acid/chlorite treated parenchyma

(19)

Lignin removal

(chlorite delignification)

versus

efficiency in the cellulose hydrolysis

Siqueira et al. Biotechnol Biofuels 4:7, 2011 0 10 20 30 40 50 60 70 0 24 48 72 C e ll u lo s e c o n v e rs io n (% ) Hydrolysis time (h) 4h-treated (7 % of lignin) 2h-treated (12 % of lignin) 1h-treated (17 % of lignin) untreated (19 % of lignin)

Rind

0 10 20 30 40 50 60 70 0 24 48 72 Hydrolysis time (h) 2h-treated (7 % of lignin) 1h-treated (8 % of lignin) untreated (12 % of lignin)

Pith

Enzymatic hydrolysis: 10 FPU/g; 20 IU -glucosidase/g; @ 45 oC

(20)

lignin contents

and

UV-data

in the

rind

Siqueira et al. Biotechnol Biofuels 4:7, 2011

R² = 0.940 R² = 0.927 R² = 0.655 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 C e llu lo s e c o n v e rs io n a ft e r 4 8 h ( % )

Absorbance of rind cells at 280 nm

vessel fiber parenchyma b R² = 0.973 R² = 0.959 R² = 0.969 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.2 0.4 0.6 C e llu lo s e c o n v e rs io n a ft e r 4 8 h ( % )

Absorbance of rind cells at 315 nm vessel fiber parenchyma c R² = 0.830 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 C e llu lo s e c o n v e rs io n a ft e r 4 8 h ( % )

Total lignin content in rind (%)

(21)

Os dados sobre a recalcitrância natural de diferentes tipos

celulares indicam que:

Lignina deveria ser removida para facilitar a desconstrução

enzimática dos polissacarídeos

- Quanta lignina deveria ser removida?

- Como se remove lignina?

(22)

What is different in the evaluated sugar cane regions?

Frequency of vascular bundles in varied fractions of a sugar cane internode

Volumetric and mass proportions of each sugar cane region in a sugar cane internode

Rind

Interface

Pith

Epidermis

Ep Rind Interface

Pith

Sugar cane region Number of vascular bundles/16mm2

Pith 6  1

Interface 8  1

Rind 13  2

Epidermis Only fibers

Sugar cane region

Volumetric proportion (%)

Dry mass proportion (%)

Pith 10 4.7  0.7

Interface 29 12  2

Rind 49 47  1

Epidermis 12 37  1

a medula representa menos do que 5% da massa total

Recordando

(23)

Lee et al.., Biotechnol Bioeng, 2009 Selectively delignified Maple using ionic liquids

Siqueira et al., Applied Energy , 2013 Chlorite delignified sugarcane bagasse

Diminuindo a recalcitrância

um pré-tratamento é necessário

(24)

0 5 10 15 20 25 30 35 0 24 48 72 C e ll u lo se co n ve rsi o n ( % ) Hydrolysis time (h) 89 146 87 8 53 121 50 58 166 321 mill bagasse 140 reference cultivar a R² = 0.749 0 5 10 15 20 25 30 35 15 17 19 21 23 25 27 C e ll u lo se co n ve rsi o n a fe tr 7 2 h o f e n zym a ti c h yd ro lysi s (% )

Total lignin content (%)

Lignin removal is necessary

to reach hydrolysis levels

over 70%

Direct enzymatic hydrolysis of milled sugar cane hybrids

y = -6.438x y = -8.011x 0 20 40 60 80 100 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 C e ll u lo se co n ve rsi o n a fe tr 7 2 h o f e n zym a ti c h yd ro lysi s (% )

Total lignin content (%)

chlorite-treated reference cultivar 24.5% Intial lignin

chlorite-treated hybrid 146

(18.6% initial lignin)

untreated hybrids

Masarin et al. Biotechnol Biofuels 4:55, 2011

- Plantas com menos lignina

são a solução??

(25)

Chen and Dixon, Nature Biotechnology, 2007

Transgenic alfalfa

O total de polissacarídeos

hidrolisados deveria

atingir cerca de 900 mg/g

CWR

(26)

- Remoção de lignina por processos industriais de pré-tratamento

são a solução??

hemicellulose

Lignin

Sulfito alcalino como agente deslignificante de bagaço de cana

Referências

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