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ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina
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
PRÓXIMA
Realização:
ICTR – Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável
NISAM - USP – Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP
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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: [email protected]
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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
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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 4-hidroxinamil álcool) e álcool cumarílico (álcool 4hidroxicumarílico) (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
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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.
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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:
%lignina =
m L ⋅10000
m A ⋅ %m S
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.
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RESULTADOS
40
35
% Celulose
30
25
% Hemicelulose
20
15
% Lignina
10
5
% Cinzas
0
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
Casca de Aveia
Celulose
(%)
30,51
Hemicelulose
(%)
28,63
Lignina
(%)
23,09
Cinzas
(%)
8,00
Palha de Arroz
43,50
22,00
17,20
11,40
Bagaço de
Cana
Resíduos de
Eucalipto
Casca de Café
35,42
25,02
22,57
5,83
40,20
15,67
26,90
1,41
39,91
14,40
28,06
6,80
Palha de Trigo
33,81
31,83
20,12
8,02
Palha de
Cevada
38,55
21,41
19,90
9,50
Referência
FELIPE et al.,
2002, 1CD
MUSSATTO,
2002, p.173
RUBIO MATTOS
et al., 2002, p. 64
CANETTIERI et
al., 2002, p. 36
CARVALHO et
al., 2004, p. 57
CÂNDIDO et al.,
2003, p. 108
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
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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 matériaprima 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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BRASILEIRO DE HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE BIOMASSAS, Maringá,
Dezembro, 2002.
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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.
Words Key: barley straw, xylitol, hemicellulose
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