ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina
Realização:
ICTR – Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável
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PRÓXIMA
APROVEITAMENTO DA PALHA DE CEVADA PARA OBTENÇÃO BIOTECNOLÓGICA DE XILITOL Elisângela de Jesus Cândido Giovani Brandão Mafra de Carvalho Maria das Graças de Almeida Felipe João Batista de Almeida e Silva
APROVEITAMENTO DA PALHA DE CEVADA PARA
OBTENÇÃO BIOTECNOLÓGICA DE XILITOL
Elisângela de Jesus Cândido2, Giovani Brandão Mafra de Carvalho3, Maria das Graças de Almeida Felipe4, João Batista de Almeida e Silva5
RESUMO
O desenvolvimento de uma tecnologia alternativa para a produção de xilitol vem ao encontro da preocupação com o uso sustentável dos recursos naturais. Materiais lignocelulósicos, como a palha de cevada, são fontes abundantes e renováveis de carboidratos que podem ser utilizadas em bioprocessos. Com o aumento da produção de cevada no Brasil para atender às malterias, há também o aumento da palha de cevada, que é um resíduo agroindustrial, utilizado atualmente para a produção de ração animal e para forragem das pastagens. Seus maiores componentes são a celulose, hemicelulose e lignina, variando entre espécies vegetais. A fração hemicelulósica contém a xilose, um açúcar fermentescível utilizado na bioconversão de xilose em xilitol. Este é um poliálcool natural de grande importância devido às suas propriedades físico-químicas, como alto poder adoçante, propriedades anticariogênicas, prevenção da osteoporose, além de outros usos terapêuticos. Neste trabalho foi realizada uma pré-hidrólise com 2g de palha de cevada com ácido sulfúrico 72% (p/p) em banho termostático a 45ºC durante 10 minutos. A suspensão foi autoclavada a 121ºC por 45 minutos. A concentração dos açúcares xilose, glicose e arabinose foram determinadas por HPLC. Os resultados mostram que a palha de cevada contém teores de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas, respectivamente iguais a 38,55%, 21,41%, 19,90% e 9,50%. O alto teor de hemicelulose encontrado na palha de cevada se comparado a outros resíduos sugere que é possível obter um hidrolisado hemicelulósico com boas características para o aproveitamento no processo de bioconversão de xilose em xilitol.
Palavras Chave: palha de cevada, xilitol, hemicelulose
2
Doutoranda do Programa de Biotecnologia Industrial – Departamento de Biotecnologia / FAENQUIL 3Mestrando do Programa de Biotecnologia Industrial – Departamento de Biotecnologia/ FAENQUIL 4Doutora, professora e pesquisadora do Departamento de Biotecnologia /FAENQUIL
5
Doutor, professor e pesquisador do Departamento de Biotecnologia – FAENQUIL
2,3,4,5
FAENQUIL – Faculdade de Engenharia Química de Lorena – Caixa Postal 116 CEP:12600-970 – E-mail: ejcandido@debiq.faenquil.br
INTRODUÇÃO
A matéria-prima vegetal de interesse econômico é aquela que pode ser utilizada como substrato em diversos processos (fermentativos ou químicos), é produzida em grande quantidade, e está diretamente ligada à poluição ambiental (KHUAD e SINGH, 1993, p.151). Com essas características destacam-se os resíduos agrícolas e florestais como, palha de trigo, palha de arroz, cavados de eucalipto, bagaço de cana-de-açúcar e palha de cevada.
Os materiais lignocelulósicos sob a forma de resíduos agrícolas e florestais são acumulados no mundo, anualmente em grandes quantidades, gerando problemas de poluição ambiental. Os principais componentes orgânicos dos materiais lignocelulósicos são a celulose, a hemicelulose e a lignina, em proporções que variam de acordo com a espécie vegetal e outras variações biológicas como, diferenças genéticas dentro da própria espécie, tecidos especiais e condições de crescimento (FENGEL e WENEGER, 1989, p. 613). Os constituintes dos materiais lignocelulósicos encontrados em menores proporções incluem os extrativos e os não extrativos. Os extrativos consistem de gorduras, gomas, amidos, alcalóides, resinas e óleos essenciais, entre outros. Os não extrativos incluem compostos como sílica, carbonatos e oxalatos, sendo frequentemente responsáveis por características como cor, sabor, resistência ao apodrecimento e propriedades abrasivas (KHUAD e SINGH, 1993, p.160).
A celulose é um composto orgânico que representa de 40 a 60% dos resíduos sólidos urbanos e pode ser encontrada em abundância nos resíduos florestais e agrícolas, bem como nos resíduos das indústrias de processamento de frutas e vegetais (MANDELS. et al., 1974, p. 1471). Segundo Goldstein (1978, p.85), a produção de celulose compreende aproximadamente 50% da produção de biomassa de todo o material orgânico da Terra, o que equivale a 100 bilhões de toneladas por ano. A celulose é um polissacarídeo linear composto de unidades anidroglicosídicas interligadas por ligações β-glicosídicas de fórmula geral (C6H10O5)n, em ligações glicosídicas 1, 4, formando a celobiose que se repete várias vezes na cadeia celulose (GOLDSTEIN, 1978, p. 96). A celulose é completamente insolúvel em água, devido à presença de grupos hidroxílicos em cada resíduo de glicose, e às inúmeras ligações de pontes hidrogeniônicas, com grau de polimerização entre 7.000 e 10.000 para a madeira. Soluções fortes de ácidos e álcalis conseguem dissolver a celulose. A transformação dos polímeros amido e celulose em glicose é uma etapa fundamental na produção de alimentos, de energia e de produtos químicos e farmacêuticos. A intenção de se utilizar a celulose para a produção de alimentos, seja por fermentação direta seja por prévia hidrólise ácida, é relativamente antiga. Segundo Dunlap (1975, p.62) a Alemanha, na década de 40, utilizava a celulose de madeira para a produção de açúcar.
As hemiceluloses são polímeros ramificados compostos de polissacarídeos de baixo peso molecular, associados à parede celular das plantas com a celulose e a lignina (PULS, SCHUSEIL, 1993, p. 1; BAMBANESTE, 1995, p. 36). São heteroglicanos constituídos por relativamente poucos resíduos de açúcar, sendo os mais comuns a D-xilose, D-manose, D-galactose, D-glicose, L-arabinose, que conferem características aos diferentes tipos de hemicelulose como
arabinogalactana, galactoglicomananos, glicomananos e arabinoxilanos (PULS, SCHUSEIL, 1993, p.10). O principal componente da fração hemicelulósica dos resíduos agro-industriais é a xilana, polímero constituído por unidades de xilose que pode ser hidrolisada usando ácidos minerais (COWLING, 1975, p. 164; KHUAD, SINGH, 1993, p. 165). A xilana possui uma estrutura linear constituída de xilopiranosil unidos por ligações β(1→4) que são encontradas em todas as plantas terrestres e compreendem a 30% do material da parede celular. A xilana em madeiras duras se encontra com radical O-acetil-4-O-metil glucuronoxilana na qual a cadeia de xilana aparece em intervalos regulares unida com unidades de ácido acético e ácido 4-O-metil glucurônico (VIIKARI et al., 1993, p. 131).
A lignina é um complexo estrutural cujo esqueleto é formado por quatro ou mais unidades de fenilpropano sendo o terceiro maior componente da celulose compreendendo aproximadamente 25%. A lignina serve como um cimento entre as fibras de celulose e hemicelulose, constituindo a principal barreira para hidrólise enzimática. A lignina tem estrutura tridimensional e é um polímero de fenilpropano com diferentes ligações entre os monômeros e a estrutura conífera que é constituída por polímeros do álcool coniferil (3-metoxi 4-hidroximetil álcool), álcool sinapil (3, 5 dimetoxi hidroxinamil álcool) e álcool cumarílico (álcool 4-hidroxicumarílico) (GOLDSTEIN, 1978, p.98). A lignina é insolúvel em água e dificulta a degradação microbiana da celulose e da hemicelulose, e atua como suporte para as fibras da celulose (FENGEL e WENEGER, 1989, p.163; KHUAD e SINGH, 1993, p. 167) este complexo atua como um “cimento” entre as fibras do material celulósico, conferindo elevada rigidez e atuando como uma barreira à degradação enzimática, e às agressões ambientais. Durante a hidrólise dos materiais lignocelulósicos são formados produtos provenientes da são considerados degradação da lignina (compostos fenólicos), como álcoois aromáticos (catecol, hidroquinona, coniferil, guaiacol, 4-metilcatecol e álcool vanílico, entre outros) e aldeídos (p-hidroxibenzaldeído e seringaldeído, entre outros) (ZALDIVAR et al., 2000, p. 524; NISHIKAWA et al., 1988, p. 549). Segundo Nishikawa et al. (1988, p. 550) estes compostos os mais potentes inibidores do metabolismo microbiano em processos fermentativos a partir de hidrolisados.
Diferentes matérias-primas lignocelulósicas podem ser utilizadas para a produção de xilitol. A escolha da matéria-prima é muito importante, uma vez que esta deve estar disponível em grande quantidade e possuir um teor de xilana elevado. Alguns dos processos existentes de produção de xilitol tem utilizado
como subprodutos da agricultura: casca de amêndoa (na Itália), caroço de algodão (na China), palha de arroz, bagaço de cana-de-açúcar (na China), madeira de
eucalipto (no Brasil),e “birch woods” ( na Finlândia) ( HYVONEN et al., 1982, p. 373).
A palha de cevada cultura típica do clima frio, a cevada está ganhando espaço no cerrado, com bons resultados de qualidade de qualidade e de produção. Dados revelam que na safra de 2000, foram cultivados 2.000 hectares com sementes produzidas pela empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA, 2001) em parceria com maltarias.
A média de produtividade da cevada irrigada no cerrado fica entre 4.000 e 5.000 Kg/ha, enquanto a produzida na região Sul atinge entre 2.600 e 3.000
Kg/ha. A qualidade também é superior, atendendo à demanda da indústria, contribuindo assim para a diminuição das importações de malte.
Com o aumento da produção de cevada no Brasil para atender às maltarias, há também o aumento da palha de cevada, que é um resíduo agroindustrial, utilizado atualmente para ração animal e para forragem das pastagens.
A palha de cevada, semelhante a outros materiais lignocelulósicos, também é constituída de três principais componentes: celulose, hemicelulose e lignina, (KHUAD e SINGH, 1993, p. 170) e observa-se que a porcentagem de hemicelulose nesta matéria-prima é elevada, então é possível a obtenção de um hidrolisado com rico teor de xilose em condições de hidrólise menos drástica quando comparado à hidrólise do cavaco de eucalipto por exemplo, tendo assim um produto com menos teor de inibidores, principalmente do furfural.
A D- xilose, principal açúcar presente na fração hemicelulósica, pode ser facilmente obtida pelo processo de hidrólise ácida com bons rendimentos (SIRISANSANEEYAKUL et al., 1995, p. 565, FANTA et al., 1984, p. 1122, GONZALEZ et al., 1986, p. 288, NÁPOLES, et al., 1997, p.35, 2000, p. 10 e 2002, p. 55).
Portanto, a hidrólise ácida da palha de cevada rende um hidrolisado rico em açúcares, sobretudo a xilose, a qual pode ser fermentada por vários microorganismos: Candida mogii ATCC18364 (SIRISANSANEEYAKUL et al., 1995, p. 570); Pachysolen tannophilus (FANTA et al., 1984, p. 1124) e Hansenula
polymorfa (FELIU et al., 1990, p. 136), tornando promissor seu aproveitamento
biotecnológico.
Este trabalho teve como objetivo determinar a composição química da palha de cevada para o futuro aproveitamento do hidrolisado hemicelulósico desta matéria-prima na bioconversão de xilose me xilitol.
MATERIAL E MÉTODOS
Determinação da composição química da palha de cevada
A análise dos teores dos componentes da palha de cevada foi realizada de acordo com a metodologia sugerida por Dunning, Dallas (1949, p.728), adaptada por Cândido (2002, p.26) que se fundamenta na sacarificação quantitativa dos polissacarídeos de diferentes matérias-primas vegetais. A palha de cevada será moída e passada por peneira de 20 “mesh”. Todo o material peneirado foi seco em estufa a 60º C, por 1 hora. Após determinar a umidade do material e constatar-se que foi inferior a 10%, palha de cevada foi moída, com precisão de até 0,1 mg. A um béquer contendo aproximadamente 2 g do material foi adicionado 10 ml de H2SO4 72% (p/p) o qual foi agitado continuamente por 10 minutos, mantendo-se a mistura em banho termostático a 45º C. Nessa etapa, denominada hidrólise principal, ocorreu o rompimento das fibras de celulose em oligômeros.
Ao completar o tempo da hidrólise, a reação foi interrompida com adição de 275 ml de água destilada e o conteúdo foi transferido para um frasco Erlenmeyer de 500 ml. A suspensão foi autoclavada a 121º C por 45 minutos. Ocorreu o que se denomina pós-hidrólise, sendo os oligômeros transformados em monômeros.
Após resfriamento, a suspensão foi transferida quantitativamente para um balão volumétrico. O volume foi completado com água destilada e a suspensão foi submetida a análise de açúcares:(xilose, glicose e arabinose). Posteriormente, foi realizada a conversão dos açúcares em hemicelulose e celulose. Determinou-se também a porcentagem de lignina e cinzas.
Determinação do teor de lignina
Após a hidrólise total dos polissacarídeos, o conteúdo do balão de 500 ml foi filtrado em papel de filtro Klabin, previamente seco a 105º C, por 1 hora, e tarado. O resíduo foi lavado com água destilada até completa neutralização, e então, submetido a secagem a 105º C, e pesado até peso constante. O teor de lignina foi calculado pela fórmula:
S A L m m m lignina % 10000 % ⋅ ⋅ = Em que,
mL corresponde à massa da lignina em gramas.
mA corresponde à massa da amostra.
mS corresponde à massa seca da amostra (%).
Determinação do teor de celulose e hemicelulose
A fração líquida da hidrólise total foi analisada por HPLC, e as concentrações de glicose, xilose e arabinose foram utilizadas para a determinação da porcentagem de celulose e hemicelulose existentes na palha de cevada (IRICK et al., 1988, p. 140).
Determinação do teor de cinzas
A determinação do teor de cinzas foi efetuada de acordo com o método de Silva (1990, p.165), que consiste em aquecer o material a altas temperaturas que vão de 500 a no máximo 600º C, ou seja, até o aquecimento a rubro, durante quatro horas ou até combustão total da matéria orgânica.
RESULTADOS 0 5 10 15 20 25 30 35 40 % Celulose % Hemi celulose % Lignina % Cinzas
FIGURA 1. Composição química da palha de cevada
DISCUSSÃO
De acordo com os dados apresentados na Figura 1, a palha de cevada utilizada no presente trabalho apresentou uma composição de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas igual a 38,55%; 21,41%; 19,90% e 9,50% respectivamente. Esta composição se aproximou daquela encontrada por KHUAD e SINGH (1993, p. 165) quanto ao teor de celulose, hemicelulose (polímero de principal interesse em processos de bioconversão de xilose à xilitol), lignina e cinzas.
A Tabela 1 demonstra que os teores de celulose, hemicelulose e lignina da palha de cevada se diferem dos teores das demais matérias-primas.
Tabela 1 – Composição química de diferentes matérias-primas
Matéria-prima Celulose (%) Hemicelulose (%) Lignina (%) Cinzas (%) Referência
Casca de Aveia 30,51 28,63 23,09 8,00 FELIPE et al.,
2002, 1CD
Palha de Arroz 43,50 22,00 17,20 11,40 MUSSATTO,
2002, p.173 Bagaço de Cana 35,42 25,02 22,57 5,83 RUBIO MATTOS et al., 2002, p. 64 Resíduos de Eucalipto 40,20 15,67 26,90 1,41 CANETTIERI et al., 2002, p. 36
Casca de Café 39,91 14,40 28,06 6,80 CARVALHO et
al., 2004, p. 57
Palha de Trigo 33,81 31,83 20,12 8,02 CÂNDIDO et al.,
2003, p. 108
Palha de Cevada
38,55 21,41 19,90 9,50 No presente
trabalho
Observa-se ainda na Tabela 1 que a composição química da palha de cevada “in natura”, é semelhante à encontrada nos resíduos como bagaço de cana de açúcar, palha de arroz e casca de aveia, os quais vem sendo amplamente
empregados como matéria-prima para a produção biotecnológica de xilitol. Porém, a palha de cevada possui teor de hemicelulose superior aos resíduos de eucalipto e casca de café, então é possível a obtenção de um hidrolisado desta matéria-prima com maior teor de xilose em condições de hidrólise menos drástica tendo assim um produto com menos teor de inibidores, principalmente do furfural.
CONCLUSÃO
De acordo com os resultados apresentados a máxima porcentagem de extração de hemicelulose, celulose, lignina e cinzas da palha de cevada sobre a matéria-seca foram, respectivamente 21,41%; 38,55%, 20,12% e 9,50%. Isso indica que o teor de hemicelulose encontrado nesta matéria-prima sendo semelhante aos outros resíduos que já vem sendo estudados sugere que é possível obter-se um hidrolisado hemicelulósico com melhores características para seu aproveitamento no processo de bioconversão de xilose em xilitol.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPESP, CAPES e CNPq.
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ABSTRACT
The development of an alternative technology for the xylitol production comes to the encounter of the concern with the maintainable use of the natural resources. Lignocellulosic residues, as the barley straw, are abundant and renewable sources of carboydrates that can be used in bioprocesses. With the increase of the barley production in Brazil to assist to the malterias, there is also the increase of the barley straw, that it is a lignocellulosic material, used now for the production of animal ration and for forage of the pastures. Their largest components are the cellulose, hemicellulose and lignin, varying among vegetable species. The fraction hemicelulósica contains the xylose, a sugar fermentable used in the xylose bioconversão in xylitol. Xylitol, a special sweetener, has anticariogenic properties and can be used by obese and diabetic people, besides other therapeutic uses. In this work a hydrolysed was accomplished with 2g of barley straw with sulfuric acid 72% (p/p) in thermostatic bath to 45ºC for 10 minutes. The suspension was autoclavate to 121ºC for 45 minutes. The concentration of the sugars xylose, glucose and arabinose were certain for HPLC. The results show that the barley straw contains cellulose tenors, hemicellulose, lignin and ash respectively same to 38,55%, 21,41%, 19,90% and 9,50%. The high hemicellulose tenor found in the barley straw if compared the other residues suggests that it is possible to obtain a hemicellulosic hydrolysate with good characteristics for the use in the process of xylose bioconversion in xylitol.
