BIOSSURFACTANTES E RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS
PRADO, Aline Alves Oliveira Santos1*; VIEIRA, Isabela Maria Monteiro2; SOUZA, Roberto Rodrigues de3; SILVA, Daniel Pereira2; RUZENE, Denise Santos3
1 Rede Nordeste de Biotecnologia - RENORBIO, Universidade Federal de Sergipe 2 Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Sergipe 3 Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Sergipe * email: [email protected]
Resumo: Biossurfactantes são compostos oriundos da ação de agentes microbianos como
bactérias, fungos ou leveduras, que apresentam propriedades similares (tensão superficial, índice de emulsificação) e vantagens (biodegradabilidade, baixa toxicidade) em relação ao surfactante químico. No entanto, os biossurfactantes apresentam ainda um elevado custo de produção, fazendo-se necessário estudos de alternativas em seu processamento com destaque para o uso de biomassa lignocelulósica como matéria-prima em sua obtenção. Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar os resíduos lignocelulósicos como alternativas na obtenção de biossurfactante, valorizando-se desta alternativa para viabilizar sua obtenção sustentável.
Palavras-chave: Biomassa, Lignocelulósico, Biossurfactante
1. INTRODUÇÃO
Os surfactantes são moléculas anfipáticas constituídas de uma porção hidrofóbica e uma porção hidrofílica. A porção apolar é freqüentemente uma cadeia hidrocarbonada enquanto a porção polar pode ser iônica (aniônica ou catiônica), não-iônica ou anfotérica, que na sua maioria são sintetizados a partir de derivados de petróleo. No entanto, estes são compostos não biodegradáveis (NITSCHKE e PASTORE, 2002).
A propriedade fundamental dos surfactantes é a tendência de formar agregados chamados micelas que, geralmente, se formam a baixas concentrações em água. A concentração mínima na qual se inicia a formação de micelas chama-se concentração micelar crítica (CMC), sendo uma importante característica de um surfactante. Estas propriedades tornam os surfactantes adequados para uma ampla gama de aplicações industriais envolvendo: detergência, emulsificação, lubrificação, capacidade espumante, capacidade molhante, solubilização e dispersão de fases (BARROS et al., 2007).
Por outro lado, os biossurfactantes, subprodutos metabólicos de bactérias, fungos filamentosos e leveduras, são em geral definidos basicamente como compostos de origem microbiana que exibem propriedades surfactantes com vantagens em relação aos surfactantes sintéticos como por exemplo biodegradabilidade e baixa toxicidade (ARAUJO et al., 2013). Deste modo, devido às crescentes preocupações ambientais, econômicas e sociais, torna-se fundamental o estudo e viabilidade na obtenção dos biossurfactantes, em especial dado a grande diversidade de sua composição química e propriedades, além de algumas características como: atividade superficial e interfacial; tolerância à temperatura, pH e força iônica; biodegradabilidade; baixa toxicidade; capacidade de ser sintetizados a partir de substratos renováveis e de baixo custo, tornam desejável a substituição dos compostos quimicamente sintetizados (MAKKAR e CAMEOTRA, 2002; NITSCHKE e PASTORE, 2002; CERQUEIRA e COSTA, 2009).
Na busca por substrato alternativo, justamente buscando baratear seu processo de obtenção, estudos têm sido realizados com resíduos lignocelulósicos, como casca e farelo de arroz (CASTIGLIONI et al., 2009), palma forrageira (SANTANA et al., 2009), sabugo de milho (HONISH et al., 2014), sisal (MARIN et al., 2015).
Entretanto, a dificuldade na seleção de um resíduo está em encontrar a composição adequada de nutrientes que permita o crescimento celular e o acúmulo do produto de interesse, além da padronização do substrato devido às variações naturais de composição, bem como os custos de transporte, armazenagem e tratamento prévio necessários (ARAUJO et al., 2013). Dessa forma, a utilização de resíduos com alto conteúdo de carboidratos e lipídeos parecem ser uma opção adequada para produção de biossurfactantes (BARROS et al., 2007).
Neste universo de resíduos, surgem os resíduos ou matérias-primas lignocelulósicas como fontes renováveis mais abundantemente encontradas na natureza, sendo compreendidas, majoritariamente, pelos materiais agroindustriais, pelos resíduos urbanos e pelas madeiras de angiospermas e gimnospermas (CASTRO e PEREIRA Jr., 2010). A biomassa lignocelulósica é constituída basicamente por celulose (compreendendo 30 e 40%), hemicelulose
(compreendendo 30 e 35%), caracterizada por estruturas de carboidratos complexos (xilose, arabinose, manose, glicose e galactose), e lignina (compreendendo 11 e 25%) (KOTARSKA et al., 2015).
Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar os resíduos lignocelulósicos como alternativas na obtenção de biossurfactante, valorizando-se desta alternativa para viabilizar sua obtenção sustentável.
2. BIOSSURFACTANTE: CONCEITO
Biossurfactantes são produzidos por microrganismos, isolados ou não de amostras de solos contaminados e não contaminados por hidrocarbonetos, que sintetizam compostos com propriedades surfactantes como subprodutos metabólicos. As bactérias, juntamente com as arqueobactérias, são os maiores responsáveis pela produção destes compostos tensoativos, com as bactérias das famílias Pseudomonacea e Bacillacea sendo capazes de produzirem biossurfactantes eficientes na remoção de petróleo e seus derivados poluentes de água (BUENO
et al., 2010).
A maioria dos biossurfactantes são produzidos por bactérias dos gêneros Pseudomonas sp.,
Acinetobacter sp., Bacillus sp. e Arthrobacter sp, que na sua grande maioria não são adequados
para utilização na indústria alimentícia devido a sua possível natureza patogênica. No entanto, os surfactantes biológicos obtidos por meio de leveduras, como as espécies de Candida e
Yarrowia, podem gerar um produto aplicado a indústrias de alimentos e farmacêutica (FONTES
et al., 2008).
Assim, os surfactantes microbiológicos aplicam-se em diversos setores como por exemplo na indústria petrolífera, onde são utilizados na produção de petróleo ou incorporados em formulações de óleos lubrificantes, na biorremediação e dispersão no derramamento de óleos, remoção e mobilização de resíduos de óleo em tanques de estocagem, e na recuperação melhorada de petróleo; na área farmacêutica, aplicados na inibição da formação de coágulos, formação de canais iônicos em membranas, atividade antibacteriana e antifúngica, atividade antiviral e antitumoral; na agricultura, aplicados especialmente em formulações de herbicidas e pesticidas; na mineração, para flotação e separação de calcita e eschelita; podendo ainda ser aplicados na indústria de higiene e cosméticos, na indústria de alimentos, de papel, têxtil e cerâmica, bem como na indústria de tintas (NITSCHKE e PASTORE, 2002).
Os surfactantes naturais podem ser divididos de acordo com a sua composição química e sua origem microbiana, incluindo glicolipídios, lipopeptídios e lipoproteínas, fosfolipídios e ácidos graxos, surfactantes poliméricos e surfactantes particulados. Além disso, os surfactantes biológicos apresentam em sua estrutura uma porção lipofílica usualmente composta por cadeia hidrocarbônica de um ou mais ácidos graxos, que podem ser saturados, insaturados, hidroxilados ou ramificados, ligados a uma porção hidrofílica, que pode ser um éster, um grupo hidróxi, fosfato, carboxilato ou carboidrato. A maioria são neutros, ou aniônicos variando desde pequenos ácidos graxos até grandes polímeros (NITSCHKE e PASTORE, 2002).
Assim, os biossurfactantes podem ser obtidos utilizando-se procedimentos relativamente simples e substratos baratos, através de processos de fermentação, onde açúcares e óleos podem ser utilizados como fontes de carbono adequadas para a obtenção de tensoativos ecologicamente seguros (BUENO et al., 2010).
Em relação ao processo de obtenção, a produção de biossurfactante é dependente do tipo, da quantidade e qualidade da fonte de carbono, da concentração de N, P, Mg, Fe e Mn no meio, e das condições físico-químicas, incluindo pH, temperatura, agitação e razão da diluição (CASTIGLIONI et al., 2009), motivo pelo qual os biossurfactantes não são amplamente utilizados pelas indústrias devido ao alto custo de produção associado à baixa produtividade e ao uso de substratos caros (BANAT et al., 2000).
Assim, o sucesso de sua produção depende do desenvolvimento de um processo mais barato, como o uso de matéria prima de baixo custo, que respondem por 10 a 30% do custo global (CAMEOTRA e MAKKAR, 1998). Uma alternativa como substratos de baixo custo seria o uso de resíduos agroindustriais, como os resíduos lignocelulósicos, apresentando-se com propriedades superiores à dos surfactantes convencionais, como polpa de café, farelo de cereais, palhas de arroz e trigo, bagaço de cana, cascas de frutas processadas, resíduos de batata, entre outros (MAKKAR e CAMEOTRA, 2002).
3. RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Como exemplo de resíduos lignocelulósicos podem ser encontrados diferentes tipos de materiais como bagaço de cana, palha de cana, palha de milho, sabugo de milho, palha de trigo, palha de cevada, farelo de cevada, palha de arroz, casca de arroz, palha de aveia, palha de algodão, casca de amendoim, pinheiro, salgueiro, capim elefante, resíduos sólidos municipais, papel, papelão, jornal (CASTRO e PEREIRA Jr., 2010), dentre outros.
As biomassas lignocelulósicas são constituídas por três principais frações poliméricas: lignina, hemicelulose e celulose, que são unidas entre si por ligações covalentes, formando uma rede complexa resistente a ataques microbianos (CASTRO e PEREIRA Jr., 2010).
As composições percentuais destes três componentes dependem das espécies de plantas, geofísica e posição ecológica (BRANDT et al., 2013). Devido à sua heterogeneidade e cristalinidade, a utilização direta de biomassa por micróbios é extremamente lenta. A separação eficiente dos componentes da biomassa constitui um dos principais obstáculos para a utilização eficiente dos recursos renováveis (ABRAHAM et al., 2011).
Dessa forma, é importante o uso de pré-tratamentos no material lignocelulósico, com o intuito de aumentar a sua gama de aplicações. Dentre estes, destacam-se métodos físicos (trituração mecânica, extrusão), químicos (alcalino, ácido, agentes oxidantes, organosolvente, líquido iônico), físico-químicos (explosão por vapor, água quente, explosão por fibra de amônia, oxidação por via úmida, microondas, ultrassom, explosão CO2), biológicos, dentre outros. A
escolha do método de pré-tratamento é dependente de muitos fatores, como o tipo de biomassa lignocelulósica, parâmetros do processo, impacto ambiental, viabilidade económica (BEHERA
et al., 2014).
Como exemplos de estudos de biossurfactantes usando-se de resíduos lignocelulósicos temos a pesquisa de Castiglioni et al. (2009) que avaliaram a produção de biossurfactante produzidos por Aspergillus fumigatus, variando a vazão de ar (0, 40, 60, 100, 120 e 200 mLar
gmeio-1 h -1) e a fonte adicional de carbono (ausente, óleo de soja e óleo diesel, proporção de 1%)
no meio de cultivo com casca e farelo de arroz, analisando o parâmetro de atividade emulsificante em função do tempo (0, 24, 48, 72, 96, 120, 144). O biossurfactante que obteve melhor resultado foi aquele na condição de sem fonte adicional de carbono no tempo de 120h de fermentação, com uma atividade emulsificante de 11,17 EU g-1, e aeração equivalente a 148 mLar gmeio -1 h -1.
Santana et al. (2009) estudaram a elaboração de surfactantes microbiológico usando a
Candida guilliermondii, a partir do suco do fruto da palma forrageira. Analisaram a tensão
superficial e o índice de emulsificação, e concluíram que é possível produzir biossurfactante, apesar de obter uma redução de apenas de 2,8% para a tensão superficial, e o índice de emulsificação de 49%.
Honish et al. (2014) investigaram a produção de sorolipídios a partir do hidrolisado de sabugo de milho, usando a Starmerella bombicola. Inicialmente, a biomassa, foi submetida ao tratamento com diferentes concentrações de ácido sulfúrico (1 a 5%), e verificaram que o tratamento com níveis acima de 3% houve a formação de inibidores (furfural), que uma vez presente impede a fermentação
e consequentemente a formação de biossurfactante. Assim, o sorolípidio que obteve melhor resultado foi o realizado a partir de hidrolisado de sabugo de milho tratado com 1% de ácido sulfúrico.
Marin et al. (2015) analisaram o efeito da obtenção de surfactina a partir do Bacillus subtilis, aplicando a polpa de sisal hidrolisada por método ácido (HA) e enzimático (HE). Avaliaram a tensão superficial, concentração micelar crítica (CMC), açúcares, e o potencial de biodegradação. Verificaram que a glicose foi o principal açúcar (10,29 g/L (HA), 9,73 g/L (HE)), e em pequena quantidade a xilose (0,37 g/L (HA), 0,23 g/L (HE)), no entanto ambos foram consumidos, sendo que na hidrólise enzimática o consumo foi mais rápido em comparação a hidrólise ácida. Concluíram que a hidrólise enzimática da polpa de sisal obteve melhores condições para o crescimento bacteriano, e para a produção de biossurfactante, exibindo um produto final com melhores propriedades: tensão superficial de 28,7%, CMC de 64,0 mg L-1, e potencial de biorremediação de 70%.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os biossurfactantes apresentam muitas vantagens em relação aos surfactantes químicos, assim como pode ser aplicado a diversos campos. No entanto, para a sua obtenção requer um alto custo, mostrando-se a necessidade de estudar fontes alternativas a fim de baratear o custo de produção, dentre estas, o uso de resíduos lignocelulósicos, que apresentam um grande potencial associada a sua composição química e disponibilidade.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio do CNPq, CAPES e FAPITEC/SE, bem como do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (PIBITI/UFS), e de Iniciação Científica (PIBIC/UFS) da Universidade Federal de Sergipe.
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BIOSURFACTANTS AND LIGNOCELLULOSIC RESIDUES
PRADO, Aline Alves Oliveira Santos1*; VIEIRA, Isabela Maria Monteiro2;
SOUZA, Roberto Rodrigues de3; SILVA, Daniel Pereira2; RUZENE, Denise Santos3
1 Rede Nordeste de Biotecnologia - RENORBIO, Universidade Federal de Sergipe 2 Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Sergipe 3 Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Sergipe * email: [email protected]
Abstract: Biosurfactants are compounds resulting from the action of microbial agents:
bacteria, fungi, yeast, that exhibit similar properties (surface tension, emulsification ratio) and advantages (biodegradability, low toxicity) compared with the chemical surfactant. However, this presents a high cost of production, thus it is necessary to study alternatives to lower its value, especially the lignocellulosic biomass, made up of cellulose, hemicellulose and lignin. However, it is important to evaluate their characteristics in order to obtain a product with a good pattern quality.
