AVALIAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTOS EM RESÍUDO DE EUCALYTUS VISANDO A PRODUÇÃO DE XILOOLIGOSSACARÍDEOS

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1 AVALIAÇÃO DE PRÉ-TRATAMENTOS EM RESÍUDO DE EUCALYTUS VISANDO A PRODUÇÃO DE XILOOLIGOSSACARÍDEOS F.S.P.P. Neto 1, T.D.T.Mafei 1, F. Masarin 2 1- Departamento de Alimentos e Nutrição Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Faculdade de Ciências Farmacêuticas FCF Unesp. Rodovia Araraquara - Jaú Km 1, Araraquara - SP, CEP: Araraquara SP Brasil, Telefone: 00 ( (flaviapenalva@hotmail.com) 2- Departamento de Bioprocessos e Biotecnologia Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Faculdade de Ciências Farmacêuticas FCF Unesp. Rodovia Araraquara - Jaú Km 1, Araraquara - SP, CEP: Araraquara SP Brasil, Telefone: 00 (0 (fmasarin@fcfar.unesp.br) RESUMO Os materiais lignocelulósicos contêm mais de 60% de celulose e hemicelulose e essas frações contém baixa eficiência energética sendo uma alternativa para produção de produtos de maior valor agregado. Desta forma o presente trabalho avaliou o rendimento entre dois tipos de pré-tratamentos com um resíduo de Eucalyptus proveniente da produção de polpa de celulose, para posterior obtenção de oligossacarídeos. As amostras foram submetidas a um processo de moagem, em seguida extraídas com etanol 95% por 6 h em Soxhlet e caracterizadas quimicamente. Posteriormente o resíudo livre de extrativos foi submetido a cada um dos tratamentos, hidrotérmico (variando tempo e consistência à temperatura de 140ºC) e o tratado com clorito de sódio em diferentes tempos à temperatura de 70ºC. Os resultados obtidos com o tratamento hidrotérmico (88.9 a 94.9%) e com o tratado com clorito de sódio (85.2 a 91.1%), demonstraram que o tempo, a temperatura e a consistência influenciam no rendimento do material lignocelulósico. PALAVRAS-CHAVE: resíduo de Eucalyptus, tratamentos, rendimentos. ABSTRACT The lignocellulosic materials containing more than 60% cellulose and hemicellulose and these fractions contains low energy efficiency as an alternative for the production of higher value added products. This way the present study evaluates the performance of two types of pre-treatments with Eucalyptus waste from the cellulose pulp production, for subsequent obtaining oligosaccharides. The samples were subjected to a milling process then extracted with 95% ethanol for 6 h in a Soxhlet and chemical caracterization. Posteriorly the residue free of extractives was subjected to each treatment, hydrothermal varying time and consistency at a temperature of 140 C) and treated with sodium chloride at different times at a temperature of 70 C. The results obtained with hydrothermal treatment (88.9 to 94.9%) and treated with sodium chloride (85.2 to 91.6%), demonstrated that time, temperatura and consistency influence at the yield of lignocellulosic materials. KEYWORDS: Eucalyptus residue. Treatments. Yieds. 1. INTRODUÇÃO As empresas de papel e celulose geram uma grande quantidade de resíduos e seu uso está baseado principalmente na geração de energia através da oxidação, na alimentação animal, na produção de carvão vegetal e para produção de celulose. Entretanto, novas aplicações estão surgindo e proporcionado um

2 melhor aproveitamento desses materiais. As empresas de papel e celulose apresentam potencial para a implementação de biorrefinarias, onde se almeja o aproveitamento integral da biomassa. Segundo Fengel e Wegener (1989) e Gellerstedt e Henriksson, (2009) a composição química da madeira pode ser dividida em frações de baixa e elevada massa molar. A fração de baixa massa molar é composta por substâncias orgânicas, geralmente denominadas de extrativos, e substâncias inorgânicas, que são sais de íons metálicos descrito por Sjöström e Wetermark (1999), e Gellerstedt e Henriksson (2009). Os extrativos compreendem vários compostos químicos, que podem ser extraídos com solventes orgânicos, embora alguns deles também sejam solúveis em água conforme mostrou Fengel e Wegener, (1989), Gellerstedt e Henriksson (2009). Estes compostos são responsáveis por características como odor, cor e sabor dos lignocelulósicos e estão presentes em pequenas quantidades (de 2 a 8%) descrito por Sjöström e Wetermark (1999). Os compostos inorgânicos estão presentes em quantidades ainda menores nos lignocelulósicos (de 1 a 2%) como mostrou Fengel e Wegener (1989) e Gellerstedt e Henriksson (2009). As macromoléculas representam a quase totalidade dos tecidos vegetais e compreendem apenas três classes de compostos: celulose, polioses (hemicelulose) e lignina. A celulose é o componente mais abundante na madeira (cerca de 50%), sendo um polímero linear, formado exclusivamente por moléculas de anidro-glicose conforme Fengel e Wegener (1989), Sjöström e Wetermark (1999) e Gellerstedt e Henriksson (2009). As hemiceluloses (polioses) são compostas pelos açúcares glicose, manose e galactose (hexoses) além de xilose e arabinose (pentoses), podendo ainda apresentar quantidades variáveis de ácidos urônicos e desoxi-hexoses em alguns tipos de madeira. Estes açúcares apresentam-se na forma de polímeros ramificados, de menor massa molar que a celulose. O teor de polioses em diferentes tipos de madeira é bastante variável, podendo-se admitir um valor médio de cerca de 20% descrito por Fengel e Wegener (1989), Sjöström e Wetermark (1999) e Gellerstedt e Henriksson (2009). A lignina é o segundo componente em maior quantidade nos lignocelulósicos e sua presença proporciona toda a complexidade existente nos processos de polpação, pois possui uma estrutura bastante complexa segundo Ralph et al. (2004). O processamento de toras de Eucalyptus em empresas de celulose gera grandes quantidades de serragem ( resíduo ) que são oxidados para a produção de vapor d água/energia elétrica. O resíduo contêm mais de 60% de celulose e hemicelulose e essas frações contém baixa eficiência energética sendo uma alternativa, o uso delas para produção de produtos de maior valor agregado. Dentre muitas aplicações biotecnológicas, a hemicelulose pode ser empregada na confecção de biofilmes e como aditivos na fabricação de papel. Na sua forma hidrolisada, é aplicada como oligossacarídeos para fins terapêuticos e analíticos ou na forma de monômeros para a produção de xilitol ou etanol. Entre esses componentes destacam-se os xilooligossacarídeos (XOs) os quais são constituídos principalmente por unidades de xilose e são responsáveis por diversos efeitos benéficos como a prevenção de cáries, a diminuição de níveis séricos de colesterol e o estímulo do crescimento de bifidobactérias no trato gastrointestinal conforme Gibson e Roberfroid (1995) e Vázquez et al. (2001). Os efeitos benéficos dos XOs à saúde estão relacionados às propriedades físico-químicas, por serem moderadamente doces, estáveis em uma ampla faixa de ph e temperatura, além de conferirem características organolépticas aos alimentos. Desta forma, o presente trabalho pretende avaliar dois tipos de tratamentos aplicados no resíduo de Eucalyptus, para posterior obtenção de oligossacarídeos, e consequentemente um melhor aproveitamento do mesmo.

3 2. MATERIAL E MÉTODOS A madeira utilizada nesse trabalho foi uma mistura de Eucalyptus (Eucalyptus grandis e Eucalypytus urophylla, proporção média de 1:1). O material utilizado foi obtido na etapa de produção de cavacos de madeira. Durante a etapa de corte das toras de madeira (produção de cavacos de madeira) um material com menor granulometria que os cavacos de madeira também é gerado, denominado resíduo de Eucalyptus na fábrica de celulose. A biomassa obtida foi seca a temperatura ambiente e moída em moinho de facas (0.84 mm). As amostras de madeira foram previamente extraídas com etanol 95% para retirada dos extrativeis responsáveis por características como odor, cor e sabor presente nos materiais lignocelulósicos. Quatro gramas de cada amostra foram submetidas à extração em solventes organo-solúveis em um extrator tipo Soxhlet, havendo não menos que quatro refluxos por hora, consistindo em duas etapas: a) extração 1:1 (v/v) partes de ciclo-hexano/etanol, por 8 horas, com objetivo de remover os extrativos organo-solúveis; b) água em ebulição por 3 horas. Após a extração, a amostra foi seca em estufa com temperatura máxima de 100 o C, até obter massa constante. 2.1 Composição química do material O resíduo livre de extrativos foi analisado quanto a composição química. Aproximadamente 300 mg de amostra de madeira foi tratada com 3 ml de ácido sulfúrico 72% (peso/peso) por uma hora a 30ºC. Em seguida, o conteúdo do tubo de ensaio foi transferido, quantitativamente, para Erlenmyer de 250 ml com auxílio de 79 ml de água. A mistura foi autoclavada por 1 hora, a 121ºC, resfriada e filtrada em filtros de vidro sinterizados de porosidade número 3 de 30 ml, (previamente secos em estufa a 105ºC por 1 hora e meia e pesados). O material retido foi lavado, com 2 porções de 5 ml de água, e seco até massa constante. Esse resíduo seco correspondeu à lignina insolúvel em ácido (lignina Klason insolúvel). O filtrado foi avolumado, a 100 ml, e uma pequena alíquota passada através de cartuchos do tipo SEP-PACK C 18 para a retenção de compostos fenólicos e analisados quanto aos teores de carboidratos, em um sistema de cromatografia líquida de alta eficiência (SHIMADZU modelo NEXERA XR). A análise cromatográfica foi feita, em um cromatógrafo líquido de alta eficiência, utilizando-se uma coluna BIORAD AMINEX HPX 87H, com H 2SO 4 5 mm a 0.6 ml/min como eluente, volume de amostra de 20 µl e detecção por índice de refração (Shimadzu, modelo RID- 20A). A concentração de carboidratos foi determinada através da calibração preparada com padrões, de grau analítico, secos sob pentóxido de fósforo e vácuo. O teor de lignina solúvel em ácido foi determinado através da leitura da absorbância em 205 nm de uma diluição (usualmente 1:100) do hidrolisado, tomando-se como padrão uma absortividade de 105 L/g.cm (FERRAZ et al., 2000). 2.2 Tratamento hidrotérmico (termo-tratamento) Para o tratamento hidrotérmico, foram utilizadas 4 amostras do resíduo pesando aproximadamente 10 g (p/p, base seca) cada. As amostras foram pesadas e transferidas para 4 reatores de aço inoxidável (Regmed, dotado de dispositivos de controle de agitação mecânica, temperatura e pressão) de 1.5 L de capacidade, contendo cada um uma válvula individual, porém todos conectados a um único equipamento. Então, foram adicionados aos reatores volumes de água destilada pré-definidos (200 e 75 ml) variando desta forma a consistência do material no meio reacional (5 e 15%), respectivamente. Após o material ser transferido, os reatores foram fechados e ajustados à temperatura de 140ºC em uma rampa de aquecimento de aproximadamente 20 min, para cada experimento a ser realizado. Após atingir a temperatura desejada os reatores permanecerão por diferentes tempos (30 e 90 min). Ao final das reações os reatores foram desconectados e resfriados naturalmente por 24h. Os materiais tratados foram filtrados através de filtros de vidro sinterizados número 3 de 50 ml. O filtrado foi recolhido, medido seu ph e borbulhado com nitrogênio até a retirada de todo oxigênio presente, e estocado em freezer a -20ºC. O material retido nos filtros foi lavado com solução de água destilada até

4 atingir ph neutro, retirado do filtro e colocado para secar em estufa à 60ºC/ 72 h. O material seco foi pesado, determinado sua umidade e calculado o rendimento do processo com base na massa inicial e massa final (ambas, p/p, em base seca) (Nabarlatz et al., 2007; Carvalheiro et al., 2004). 2.3 Tratamento com clorito de sódio Para o tratamento com clorito de sódio, 20 g de amostra foram tratadas com 0.3 g de clorito de sódio (0.93% massa/volume), 0.1 ml de ácido acético anidro (0.31% volume/volume) e 32 ml de água destilada para cada grama de amostra (dados em base seca) durante 1, 2, 3 e 4 horas, em banho-maria à 70ºC, conforme descrito por Ford, (1986) e Siqueira et al. (2013). A cada hora de reação foi adicionado clorito de sódio/ácido acético novamente até completar o tempo de 4 horas, nas mesmas proporções citadas acima, conforme descrito por Gellerstedt e Henriksson (2009). Após o tratamento as amostras foram filtradas em filtros sintetizados número 3, lavadas com água, até sua neutralização, e com acetona (200 ml). O material retido nos filtros foi lavado com solução de água destilada até atingir ph neutro, retirado do filtro e colocado para secar em estufa à 60ºC/ 72 h. O material seco foi pesado, determinado sua umidade e calculado o rendimento do processo com base na massa inicial e massa final (ambas, p/p, em base seca). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A tabela 1 mostra a composição química do resíduo de Eucalyptus gerado no processamento de cavacos de madeira. Os dados de composição do resíduo foram similares aos reportados na literatura para madeira de Eucalyptus grandis (Vena et al, 2013). Tabela 1: Composição química (100g/g de material, dados em base seca) do resíduo de Eucalyptus gerado no processamento de cavacos de madeira. Celulose (%) Hemicelulose (%) Lignina Total (%) Extrativos (%) Cinzas (%) Soma (%) 37.5 ± ± ± ± ± A tabela 2 mostra os valores dos rendimentos obtidos no termo-tratamento (em diferentes tempos e diferentes consistências) com o resíduo proveniente de Eucalyptus. Pode-se observar que a variável consistência influenciou mais nos rendimentos quando comparado com a varável tempo. Tabela 2: Rendimento do termo-tratamento a 140ºC em diferentes tempos e consistências. Amostra Tempo (min.) Consistência (%) Rendimento (%) ± ± ± ± 0.09

5 A tabela 3 mostra os valores dos rendimentos obtidos no tratamento com clorito de sódio (em diferentes tempos) com o resíduo proveniente de Eucalyptus. Pode-se observar que o tempo de tratamento tem influência direta sobre rendimento do processo. Quando comparamos os dois tratamentos, podemos observar que o tratamento hidrotérmico teve um rendimento superior quando comparado com o tratamento com clorito de sódio (considerando os diferentes tempos de tratamentos). Tabela 3: Rendimento do tratamento com clorito de sódio em diferentes tempos. Tempo (horas) Rendimento (%) 1 89,1 ± 0, ,1 ± 1, ,1 ± 0, ,2 ± 1,17 4. CONCLUSÃO Podemos concluir que os pré-tratamentos no resíduo em estudo (termo-tratamento e clorito de sódio, até duas horas) forneceu um processo de alto rendimento. Os materiais obtidos após os tratamentos (biomassa retida, insolúvel em água) podem ser utilizados para produção de xilooligossacarídeos através da via enzimática (hidrólise enzimática com xilanases), pois o resíduo sem nenhum tratamento é muito recalcitrante frente a ação de enzimas hidrolíticas. Na continuação do presente trabalho pretendemos caracterizar quimicamente as biomassas prétratadas (termo-tratamento e clorito de sódio) para averiguação dos componentes que foram previamente solubilizados nos pré-tratamentos e determinar a composição química da biomassa (retida, insolúvel em água). Além disso, pretendemos hidrolisar a hemicelulose das biomassas previamente pré-tratadas com xilanases a fim de produzir xilooligossacarídeos. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fengel, D. E.; Wegener, G. (1989). Wood chemistry, ultrastructure, reactions. Berlin: Water de Gruyter Ford, C.W. (1986). Comparative structural studies of lignin-carbohydrate complexes from Digitaria decumbens (pangola grass) before and after chlorite delignification. Carbohydrate Research, 147: Gellerstedt, G.; Ek, M.; Heriksson G. (2009). Wood Chemistry and wood Biotechnology and Pulping Chemistry and Technology Berlim: Walter de Gruyter. v.1, v.2. Gibson, G.R.; Roberfroid, M.B. (1995). Dietary modulation ofthe human colonic microbiota: introducing the concept of prebiotics. The journal of Nutrition, v. 125, Vena P. F.; García-Aparicio M. P.; Brienzo M.; Go rgens J. F.; Rypatra T. (2013). Effect of Alkalin Hemicellulose Extraction on Kraft Pulp Fibers from Eucalyptus Grandis. Journal of Wood Chemistry and Technology, 33: Vázquez, J.; Alonso, J. L.; Dominguez, H.; Parajó, J. C. (2001). Xylooligosaccharides: manufacture and applications. Trends in Food Science and Technology, 11: Ralph, J.; Lundquist, K.; Brunow, G.; Lu, F.; Kim, H.; Schatz, P.F.; Marita, J.M; Hatfield, R.D.; Ralph, S.A.; Christensen, J.H.; Boerjan, W. (2004). Lignins: Natural polymers from oxidative coupling of 4- hydroxyphenyl-propanoids. Phytochemistry, 3:

6 Sjo stro m, E.; Westermark, U. (1999). Chemical composition of wood and pulps: basic constituents and their distribution. In: Eds. Sjöström, E.; Alén R. Analytizal methods in wood chemistry, pulping and papermarking. Helsinki: Springer series in wood Science Siqueira, G.; Várnai, A; Ferraz, A., & Milagres, A.M. (2013). Enhancement of cellulose hydrolysis in sugarcane bagasse by the selective removal of lignin with sodium chlorite. Applied Energy, v. 102, Ferraz, A; Baeza, J; Rodrigues, J; Freer, J. Estimating the chemical composition of biodegraded pine and eucalyptus wood by DRIFT spectroscopy and multivariate analysis. Bioresource Technol, v. 74, p , NABARLATZ, D.; FARRIOL, X.; MONTANÉ, D. Kinetic modeling of the autohydrolysis of lignocellulosic biomass for the production of hemicellulose-derived oligosaccharides. Industrial Engineering Chemistry Research, v. 43, p , CARVALHEIRO, F; ESTEVES, M.P; PARAJÓ, J.C; PEREIRA, H; GÍRIO, F.M. Production of oligosaccharides by autohydrolysis of brewery s spent grain. Bioresource Technology, V.91, P , 2004.