HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE RESÍDUO DE ERVA-MATE
CANCHEADA: PARÂMETROS OPERACIONAIS PARA A
OBTENÇÃO DE GLICOSE
I.L. Silva1, E. Skoronski2, A.P. Kempka1
1- Departamento de Engenharia de Alimentos e Engenharia Química – Universidade do Estado de Santa Catarina, - CEP: 89.870-000 – Pinhalzinho – SC – Brasil, Telefone: 55 (49) 20499594 – e-mail: (idi_lange_silva@hotmail.com, aniela.kempka@udesc.br)
2- Departamento de Engenharia Ambiental – Universidade do Estado de Santa Catarina, - CEP: 88520-000 – Lages – SC – Brasil, Telefone: 55 (49) 3289-9100 – e-mail: (everton.skoronski@udesc.br)
RESUMO – Etanol de segunda geração é produzido a partir de matérias-primas lignocelulósicas e antes da etapa de fermentação, deve-se realizar a sacarificação. A erva-mate cancheada remanescente do processo de produção das ervateiras é um material lignocelulósico que pode ser utilizado na produção do bioetanol. Objetivou-se no presente trabalho estudar diferentes parâmetros operacionais, para a hidrólise enzimática do resíduo da erva-mate cancheada, utilizando um complexo de celulases (comercial). Os parâmetros estudados foram: tempo de hidrólise, temperatura (41ºC a 53ºC), pH (4,3 a 5,3) e concentração de substrato (2% a 6%, m/v). Os resultados demonstraram que um tempo de hidrólise de 8 horas, temperatura de 41ºC, pH 5,1 e concentração de substrato 6 %(m/v), levaram a maior obtenção de glicose. Para otimização da hidrólise, são necessários mais estudos. Os resultados preliminares obtidos permitiram verificar que o subproduto da erva-mate é uma matéria-prima com potencial para a produção de bioetanol de segunda geração.
ABSTRACT – Ethanol of second generation is produced from lignocellulosic feedstocks and before the fermentation stage, should perform saccharification. The remaining of yerba mate production process is a lignocellulosic material which may be used in bioethanol production. The objective the present work was study different operating parameters for enzymatic hydrolysis of yerba mate residue using a complex of cellulases (commercial). The parameters studied were: time of hydrolysis, temperature (41°C to 53°C), pH (4.3 to 5.3) and substrate concentration (2% to 6% w/v). The results showed that hydrolysis time of 8 hours, 41°C of temperature, pH 5.1 and the substrate concentration of 6% (w/v), led to obtain a higher glucose concentration. To optimize hydrolysis, further studies are required. The preliminary results obtained showed that the by-product of yerba mate is a raw material with potential for second-generation bioethanol production.
PALAVRAS-CHAVE: material lignocelulósico; complexo de celulases; hidrólise, glicose.
KEYWORDS: lignocellulosic material; complex of cellulases; hydrolysis glucose.
1.
INTRODUÇÃO
ao Brasil, distribuindo-se entre os Estados do Mato Grosso do Sul, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul (Esmelindro et al., 2002), sendo consumida, principalmente, na forma de chimarrão.
Durante o processo de industrialização (sapeco, secagem e cancheamento), quantidades significativas de subproduto são geradas. O resíduo é correspondente a, aproximadamente, 2% da produção em massa. O seu principal uso é como fonte de energia (queima em caldeiras) e/ou como adubo orgânico (Gonçalves et al., 2007). Como se trata de uma planta de composição química elaborada, a erva-mate tem motivado pesquisadores a investirem na melhoria da qualidade do produto. Paralelamente, alguns estudos têm sido conduzidos com o intuito de identificar rotas alternativas para a aplicação da erva-mate, visando agregar valor a esta importante matéria-prima regional (Maccari e Santos, 2000).
Materiais lignocelulósicos são recursos renováveis de biomassa que podem ser utilizados como matérias-primas numa biorrefinaria para ser convertidos em uma ampla gama de produtos valiosos, incluindo combustíveis, energia, calor, produtos químicos e materiais. Combustíveis de segunda geração (como o bioetanol) podem ser obtidos a partir de materiais lignocelulósicos que constituem uma alternativa interessante uma vez que estes materiais não competem com as culturas alimentares e podem ser obtidos a partir de resíduos agroflorestais (Alvira et al., 2010).
A produção de etanol por fermentação de biomassa ganhou atenção especial durante as duas últimas décadas (Olsson et al., 2005; Serrano-Ruiz et al., 2010). O processo enzimático é mais atraente devido as condições ambientais e a eficiência de conversão pode ser aumentada pelo ajuste das condições reacionais, ou por modificação das enzimas (Himmel et al., 2007; Sticklen, 2008). Para o desenvolvimento de novos produtos a partir da erva-mate, bem como a extração de compostos de interesse, é de fundamental importância a caracterização físico-química do produto em função das etapas do processamento industrial (Esmelindro et al., 2002)
Desta forma, o objetivo deste trabalho foi determinar, preliminarmente, as condições experimentais de tempo de reação, temperatura, pH e concentração de substrato para obtenção de glicose a partir da hidrólise enzimática de resíduo de erva mate cancheada.
2.
MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios de hidrólise enzimática do resíduo de erva-mate cancheada foram conduzidos no Laboratório de Bioprocessos do Departamento de Engenharia de Alimentos e Engenharia Química - DEAQ da Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC. As amostras de erva-mate foram coletadas na Indústria e Comércio Ervateira Nossa Senhora De Lourdes Ltda. (Vargeão- SC), oriundas de um mesmo lote. O completo enzimático utilizado foi o NS22086- Novozyme, com atividade de 1.000 BHU(2)/g e dosagem de 3% (m/m).
O resíduo de erva-mate foi moído em liquidificador semi-industrial, classificado quanto à granulometria (utilizada a massa retida em peneira de 100 Mesh), acondicionado em embalagens plásticas e armazenado em freezer, em temperatura abaixo de 0°C. Foi realizada a caracterização físico-química do resíduo de erva-mate, através das análises de umidade, proteínas pelo método de Kjeldhal, lipídios pelo método de extração a quente (Soxhlet), glicose e cinzas (IAL, 2008).
(m/v) de resíduo de erva-mate em tampão de acetato de sódio, pHs 4,5; 4,8; 5,1 e 5,3 e adicionadas do complexo enzimático, foram incubadas na temperatura e tempo determinados nas etapas anteriores. Por fim, para a obtenção dos perfis de hidrólise em diferentes concentrações de substrato, soluções 2,0%; 3,0%, 4,0%, 5,0%, 6,0% (m/v) de resíduo de erva-mate em tampão de acetato de sódio pH determinado na etapa anterior, e adicionadas do complexo enzimático, foram incubadas na temperatura e tempo determinados nas etapas anteriores.
Todos os ensaios de hidrólise foram realizados em Shaker a 100 rpm, em duplicatas, e foram retiradas amostras a cada 2 horas durante até, 12 horas, para determinação da concentração de glicose, sendo utilizado, para tanto, o método DNS (ácido 3,5 dinitrosalicílico) (Miller, 1959) e sendo descontado o valor inicial de glicose da amostra.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O resíduo de erva-mate, na caracterização físico-química, apresentou 2,39 % de umidade, 14,57% de proteínas, 8,67% de lipídios, 1,69% de glicose e 5,95% de cinzas. Esmelindro et al. (2002) ao caracterizarem erva-mate visando verificar a influência das etapas do processamento industrial, encontraram valores semelhantes para proteínas (12,84%), lipídios (5,74%) glicose (1,71%) e cinzas (6,06%) para erva-mate cancheada (5 dias).
Na Figura 1 estão mostrados os perfis de hidrólise enzimática do resíduo de erva-mate cancheada ao longo do tempo (a) e em diferentes temperaturas (b) para a obtenção de glicose.
Figura 1 – Perfis de hidrólise enzimática do resíduo de erva-mate cancheada ao longo do tempo (a) e em diferentes temperaturas (b) para a obtenção de glicose.
baixas). Aumentos de temperatura afetam a cinética das reações enzimáticas, aumentando a frequência de colisão entre um substrato e o sítio ativo de uma enzima, porém, aumentos excessivos podem causar desnaturação nas enzimas (Shuler e Kargi, 2002).
Na Figura 2 estão mostrados os perfis de hidrólise enzimática do resíduo de erva-mate cancheada em diferentes pHs (a) e em diferentes concentrações de substrato (b) para a obtenção de glicose.
Figura 2 – Perfis de hidrólise enzimática do resíduo de erva-mate cancheada em diferentes pHs (a) e em diferentes concentrações de substrato (b) para a obtenção de glicose.
Ao longo do tempo de hidrólise, quando se variou o pH, que os pHs 5,1 e 5,3 levaram as maiores concentrações de glicose, seguidos do pH 5,6 (3% de substrato, 41ºC e 8 horas de processo), optando-se para a próxima etapa pelo pH 5,1. Para a concentração de substrato (Figura 2b), observa-se que houve um aumento na concentração de glicose em 8 horas de processo, para os experimentos com concentrações de 4%, 5% e 6% de resíduo de erva-mate (41ºC, pH 5,1 e 8 horas de processo). Uma concentração de substrato mais elevada indica a disponibilidade de mais celulose que pode ser hidrolisada em glicose. Porém, quando a concentração de substrato é aumentada para além do seu valor ótimo e a quantidade de enzima utilizada é fixa, têm-se fatores limitantes, como a inibição pelo produto final e as limitações na transferência de massa na mistura reacional, devido à elevada viscosidade, o que leva a um baixo teor de glucose. A hidrólise pode ser ineficiente quando o substrato exceder 10% (m/m, em massa seca), devido ao aumento da viscosidade (Harun e Danquah, 2011; Tan e Lee, 2014).
4. CONCLUSÕES
5.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M., & Negro, M. (2010). Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review. Bioresource
Technology, 101(13), 4851–4861, 2010.
Esmelindro, M. C., Toniazzo, G., Waczuk, A., Dariva, C., & Oliveira, D. (2002). Caracterização físico-química da erva-mate: influência das etapas do processamento industrial. Ciência e Tecnologia
de Alimentos, 22(2), 199-204.
Gonçalves, M., Guerreiro, M.C., Bianchi, M.L., Oliveira, L.C.A., Pereira, E.I., & Dallago, R.M. (2007). Produção de carvão a partir de resíduo de erva-mate para a remoção de contaminantes orgânicos de meio aquoso. Ciência e Agrotecnologia, 31(5), 1386-1391.
Harun R., & Danquah M. K. Enzymatic hydrolysis of microalgal biomass for bioethanol production. (2011). Chemical Engineering Journal, 168, 1079–1084.
Himmel, M. E., Ding, S.Y., Johnson, D.K., Adney, W.S., Nimlos, M.R., Brady, J.W., & Foust, T.D. (2007). Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science, 315. Instituto Adolfo Lutz (2008). Métodos físico-químicos para análise de alimentos (4 ed). São Paulo. Maccari, A.J., Santos, A.P.R (2000). Produtos alternativos e desenvolvimento da tecnologia industrial na cadeia produtiva da erva-mate. MCT/CNPq/PADCT, Curitiba, PR.
Miller, G.L. (1959). Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar.
Analytical Chemistry, 31(3), 426-428.
Olsson, L., Jørgensen, H., Krogh, K.B.R., Roca, C. (2005). Bioethanol production from lignocellulosic material. In: Dumitriu, S.(Ed.), Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility. Dekker, New York, pp. 957–994.
Serrano-Ruiz, J.C., West, R.M., Dumesic, J.A., (2010). Catalytic conversion of renewable biomass resources to fuels and chemicals. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 1, 79– 100.
Shuler M.L., & Kargi, F. (2002). Bioprocess Engineering. 2nd ed. Prentice Hall.
Sticklen, M.B. (2008). Plant genetic engineering for biofuel production: towards affordable cellulosic ethanol. Nat. Rev. Genet, 2008.
