PRÉ-TRATAMENTO ÁCIDO DO BAGAÇO DE CARAMBOLA PARA OBTENÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS

Transcrição

1 PRÉ-TRATAMENTO ÁCIDO DO BAGAÇO DE CARAMBOLA PARA OBTENÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS M.C. MACHADO 1, E. AGUIAR-OLIVEIRA 2, E. S. KAMIMURA 3 e R. R. MALDONADO 4 1 Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Curso de Engenharia Química 2 Universidade Federal da Bahia, Instituto Multidisciplinar de Saúde, Departamento de Biociências 3 Universidade de São Paulo, Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos, Departamento de Engenharia de Alimentos 4 Universidade Estadual de Campinas, Colégio Técnico de Campinas, Departamento de Alimentos para contato: ratafta@yahoo.com.br RESUMO A demanda crescente por biocombustíveis e o potencial agroindustrial brasileiro são incentivos para estudo de resíduos lignocelulósicos, com vista à produção de bioetanol. Neste trabalho foi avaliado o pré-tratamento ácido do bagaço de carambola (13% m/m de sólidos totais) usando delineamento fatorial para os fatores: concentração de ácido sulfúrico (1,2 a 6,8% v/v) e tempo de aquecimento (72 a 198 min) a 121,1 C e 1,1 atm, com a proporção 1:10 (bagaço: solução ácida). Com base nos modelos matemáticos e superfícies de respostas obtidos, as condições teóricas ótimas para a hidrólise foram: 4,0% (v/v) de ácido sulfúrico e 135 min de aquecimento, que equivalem às respostas teóricas de 123% de conversão e 1,6 Brix, que foram próximas aos valores experimentais obtidos, considerando-se pequenas variações na composição do bagaço. Os resultados sugerem bom potencial na utilização do bagaço de carambola para obtenção de açúcares fermentescíveis e aplicação à produção de bioetanol. 1. INTRODUÇÃO A crescente demanda por novas fontes energéticas, como os biocombustíveis, aliada às questões ambientais recorrentes são uma realidade à qual não se pode ignorar. O Brasil é mundialmente conhecido por sua experiência na produção e utilização de etanol de primeira geração, obtido a partir da cana de açúcar (Machado e Abreu, 2006). No entanto, o país produz uma grande quantidade de resíduos agroindustriais ricos em materiais celulósicos que podem ser aproveitados para a produção de etanol de segunda geração. Os materiais celulósicos provenientes de bagaços, cascas, restos de plantas podem aumentar em muito a produção do bioetanol, mas o processo de transformação desses materiais em açúcares fermentescíveis exige etapas para a disponibilização dos carboidratos para os micro-organismos de forma efetiva. A biomassa lignocelulósica dos resíduos agroindustriais é composta basicamente de celulose, hemicelulose e lignina, sendo a fração celulósica formada por n unidades de glicose, que podem ser aproveitadas para obtenção de diferentes produtos, mas as frações de hemicelulose e lignina devem ser previamente removidas (Xu et al., 2010; Frasinelli et al., 2015).

2 Diferentes processos podem ser aplicados no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos (Machado e Abreu, 2006). A hidrólise por ácidos têm a capacidade de atingir a camada de hemicelulose, enquanto que o emprego de álcalis remove parte da lignina. Na explosão a vapor, com ou sem agentes químicos, o material lignocelulósico é exposto a alta temperatura e alta pressão por um curto período de tempo. Por sua vez, os pré-tratamentos biológicos normalmente utilizam fungos e bactérias que secretam enzimas extracelulares, como lignina peroxidase, lacase e celulase que ajudam a remover consideravelmente a lignina da biomassa (Ogeda e Petri, 2010). Na literatura há inúmeros relatos sobre processos de pré-tratamento e hidrólise de bagaço de cana devido à abundância dessa matéria-prima no Brasil, mas diversos outros materiais lignocelulósicos têm sido objeto de investigação recente, tais como: sabugo e palha de milho (Santos et al., 2015a; 2015b), palma forrageira (Antunes et al., 2015a), bagaço e albedo de laranja (Antunes et al., 2015b; Silva et al., 2015a), dentre vários outros. As cascas de frutas que normalmente são desperdiçadas podem apresentar um grande potencial de obtenção de carboidratos fermentescíveis. Altos teores de fibras (1,4 a 10,4% m/m) e de carboidratos (2,9 a 35% m/m) foram encontrados em cascas de diferentes frutas abacate, abacaxi, mamão, maracujá, melão e tangerina (Gondim et al., 2005). Em outro trabalho, obteve-se uma fração líquida com alto teor de carboidratos a partir de um processo combinado de pré-tratamento ácido com hidrólise enzimática do bagaço de graviola (Annona muricata) (Silva et al., 2015b). A carambola (Averrhoa carambola) é uma fruta relativamente popular no Brasil, de formato elipsóide e recortes longitudinais, casca translúcida, lisa e brilhante, cor de esbranquiçado ao amarelo intenso, sabor agridoce, consistência rígida, teores de sólidos solúveis entre 5,5 e 8,0 Brix de acordo com o estágio de maturação (Almeida et al., 2011). A fruta vem sendo aplicada para diferentes finalidades tais como: produção de geleias, fermentados láctico e alcoólico, sucos, produtos minimamente processados, etc. (Abdullah et al., 2007; Ogassavara et al., 2009; Valim, 2014; Vicente et al., 2014; Maldonado et al., 2015). O objetivo desse estudo foi avaliar o pré-tratamento ácido do resíduo de carambola (bagaço), proveniente do processo de obtenção do fermentado alcoólico da fruta, com intuito de se obter açúcares fermentescíveis com potencial aplicação na produção de bioetanol. 2. MATERIAL E MÉTODOS Preparo do bagaço de carambola: Carambolas (Averrhoa carambola) foram fatiadas e processadas em liquidificador por 3 minutos, sem adição de água e sem remoção da casca para obtenção da polpa da fruta. Após o processamento realizou-se a filtração, com auxílio de um filtro de pano de algodão, para separação da polpa (sólidos solúveis) do bagaço (sólidos insolúveis). O suco foi destinado à produção de fermentado alcoólico e o bagaço foi avaliado em relação ao pré-tratamento ácido para obtenção de açúcares fermentescíveis. O bagaço foi armazenado em recipientes plásticos e sob congelamento (-18 C) até o momento da utilização. Hidrólise ácida do bagaço: A obtenção de açúcares fermentescíveis a partir do bagaço de

3 carambola foi realizada em Erlenmeyers de 250 ml, aos quais foram adicionados 10 g de bagaço e 100 ml de solução aquosa de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) com concentração variando entre 1,2 e 6,8%(v/v), as amostras foram autoclavadas (121,1 C e 1,1 atm) por períodos entre 72 e 198 minutos; as variáveis respostas analisadas foram o percentual de conversão e a concentração de sólidos solúveis. Os ensaios foram realizados de acordo com um delineamento fatorial completo com 2 2 pontos fatoriais + 4 pontos axiais + 4 pontos centrais (Rodrigues e Iemma, 2015). As condições utilizadas em cada ensaio bem como os resultados obtidos estão apresentadas na Tabela 1 (seção Resultados e Discussão) e foram baseados em trabalho anterior sobre a hidrólise de material lignocelulósico (Silva et al., 2015b). Determinação de sólidos solúveis e totaisedo percentual de conversão: Os sólidos solúveis foram determinados por leitura direta em refratômetro de bancada (Instrutemp, modelo ITREF 25) e o teor de sólidos totais presentes no bagaço foi determinado por gravimetria. Os métodos adotados foram baseados no Manual de Análises de Alimentos do Instituto Adolfo Lutz (IAL, 2008). O percentual de conversão (% m/m) foi calculado como a porcentagem de sólidos solúveis em relação à quantidade de sólidos totais presentes no bagaço. Análise estatística: Os resultados obtidos no delineamento experimental foram analisados com o programa Statistica v.8.0 tendo sido feitas as análises de variância (ANOVA) e das superfície de resposta. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O teor de sólidos totais presentes no bagaço de carambola foi obtido gravimetricamente por secagem até peso constante do material. O valor obtido foi de (13 ± 1)% m/m. O estudo da hidrólise ácida do bagaço de carambola foi realizado através de um delineamento fatorial completo para avaliar o efeito das variáveis independentes: concentração de ácido sulfúrico e tempo de aquecimento, conforme mostrado na Tabela 1. Em seguida foi realizada a análise de variância (ANOVA) para as variáveis respostas: concentração de sólidos solúveis e percentual de conversão com o intuito de se obter modelos de 2ª. ordem que explicassem o processo de hidrólise ácida do bagaço de carambola dentro das condições avaliadas. Os resultados estão apresentados na Tabela 2. Através da análise de variância foi possível dizer que ambos os modelos de 2ª. ordem (concentração de sólidos solúveis e conversão) foram estatisticamente significativos com nível de confiança superior a 99% (p < 0,01) e que o resíduo observado no modelo se deve a falta de ajuste, uma vez que o erro puro foi igual a zero. Os modelos reparametrizados e codificados são apresentados como as Equações 1 e 2, sendo: SS = sólidos solúveis; C = conversão; A = concentração de ácido sulfúrico e T = tempo. SS C 2 2 = 1,60 0,62 A + 0,27T 0,45T (1) 2 2 = 122,83 48,09 A + 21,28T 34,54T (2) Tabela 1 Delineamento fatorial completo com 2 2 pontos fatoriais + 4 pontos axiais + 4 pontos

4 centrais para hidrólise ácida do bagaço de carambola Ensaio Ácido Tempo Sólidos Conversão Sulfurico Solúveis %(v/v)* (min)* ( Brix) (%m/m)** 1 2,0 (-1) 90 (-1) 0,8 61,5 2 6,0 (+1) 90 (-1) 0,2 15,3 3 2,0 (-1) 180 (+1) 1, ,0 (+1) 180 (+1) 1,2 92,3 5 1,2 (-1,41) 135 (0) 0,0 0,0 6 6,8 (+1,41) 135 (0) 0,0 0,0 7 4,0 (0) 72 (-1,41) 0,1 7,7 8 4,0 (0) 198 (+1,41) 0,6 46,2 9 4,0 (0) 135 (0) 1, ,0 (0) 135 (0) 1, ,0 (0) 135 (0) 1, ,0 (0) 135 (0) 1,6 123 *valores codificados entre parêntesis; ** porcentagem de sólidos solúveis em relação à quantidade de sólidos totais presentes no bagaço. Os dois modelos obtidos são análogos, uma vez que expressam o mesmo resultado em escalas diferentes (modelo 1 representa a concentração de sólidos solúveis no hidrolisado e o modelo 2 representa o quanto esta concentração representa em relação aos sólidos totais presentes no bagaço), sendo assim apenas o modelo 2 está apresentado na Figura 1. Tabela 2 Análise de variância (ANOVA) para concentração de sólidos solúveis e percentual de

5 conversão obtidos na hidrólise ácida do bagaço de carambola. Sólidos solúveis ( Brix) FV SQ GL SQM Teste F p-valor R 2 Regressão 3,80 3 1,27 7,94 0,009 0,75 Resíduo 1,26 8 0,16 Falta de ajuste 1,26 5 0,25 Erro puro 0,00 3 0,00 Total 5,06 11 Conversão (%m/m) FV SQ GL SQM Teste F p-valor R 2 Regressão 22439, ,68 8,03 0,008 0,75 Resíduo 7454, ,78 Falta de ajuste 7454, ,78 Erro puro 0,00 3 0,00 Total 29893,28 11 FV = fonte de variação; SQ = soma de quadrado; GL = grau de liberdade; SQM = soma de quadrado médio. A análise da superfície de resposta indica que a melhor condição para hidrólise ácida do bagaço de carambola foi obtida nas condições do ponto central (4,0% v/v de ácido sulfúrico e 135 minutos de aquecimento) que resultou em uma conversão de 123% e uma concentração de sólidos solúveis de 1,6 Brix. É preciso destacar que o fator de conversão superior a 100% está relacionado a pequenas variações na composição do bagaço de carambola utilizado em cada experimento. Na determinação de sólidos totais o valor obtido (com 5 replicatas) foi de (13 ± 1)% m/m, o que implicaria em uma quantidade de sólidos totais nas amostras submetidas a hidrólise de 1,3 g. Sendo

6 assim, era esperado um valor máximo de 1,3 Brix no hidrolisado. O resultado de 1,6 Brix obtido nos pontos centrais pode ser atribuído a pequenas variações entre uma amostra e outra utilizada nos experimentos Tempo (min) ,2 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 6,8 Ácido (%v/v) > 120 < 120 < 100 < 80 < 60 < 40 < 20 (a) Figura 1 (a) Superfície de resposta e (b) curva de contorno para variável resposta percentual de conversão (%m/m) na hidrólise ácida do bagaço de carambola em função da concentração de ácido sulfúrico e do tempo de aquecimento. Desse modo, pode-se dizer que a condição do ponto central foi capaz de hidrolisar completamente os sólidos presentes no bagaço da carambola, resultado esse muito similar aos ensaios 2 e 3, que utilizaram 2,0 e 6,0% v/v de ácido sulfúrico por um tempo de 180 minutos. No entanto, a condição do ponto central pode ser considerada mais interessante em termos de processo por utilizar um tempo menor de aquecimento com concentração de ácido intermediária (4,0% v/v) em relação aos ensaios 2 e 3. O baixo teor de sólidos solúveis encontrado está relacionado com as características da matéria-prima, que apresenta alto teor de umidade e baixo teor de sólidos. Os experimentos realizados nesse estudo utilizaram o bagaço de carambola em seu estado natural, ou seja, sem secagem prévia. A utilização do bagaço seco pode levar a obtenção de concentrações mais elevadas de sólidos solúveis no hidrolisado, uma vez que a conversão obtida nas condições utilizadas foi completa. Em trabalho anterior, Silva et al. (2015b) obtiveram frações líquidas de hidrolisado de bagaço de graviola com concentração máxima de 36 Brix após pré-tratamento ácido (120 minutos de aquecimento a 121,1 C e 1%v/v de ácido sulfúrico). No entanto, os autores citados trabalharam com resíduo previamente seco, contendo cerca de 10% de água e 86% de carboidratos. Dessa forma, o resultado obtido por eles representa uma conversão de aproximadamente 45% em relação aos sólidos totais presentes no resíduo. Em outros trabalhos também foram obtidos altos rendimentos de conversão quando a hidrólise ácida foi aplicada a resíduos lignocelulósicos, tais como: 70,8% na hidrólise de sabugo de milho (120 C, 15 minutos e 0,5% v/v de ácido sulfúrico) (Santos et al., (b)

7 2015a); 61% na hidrólise da palma forrageira (120 C, 15 minutos, 0,5% v/v de ácido sulfúrico e proporção 1:20 resíduo:solução ácida) e 50% de hidrólise do albedo de laranja nas mesmas condições (Antunes et al., 2015a e 2015b). 4. CONCLUSÃO Os resultados obtidos nesse estudo demonstraram que a hidrólise ácida foi eficiente como prétratamento para obtenção de açúcares fermentescíveis do bagaço úmido de carambola, sendo que na condição de 121,1 C, 135 minutos de aquecimento e 4,0% v/v de ácido sulfúrico foi obtida a conversão total dos sólidos presentes no bagaço, resultando em uma solução de concentração de 1,6 Brxi. A conversão obtida foi maior do que a mostrada na literatura para condições similares, no entanto, a literatura relata sistemas utilizando resíduos previamente secos. O resultado desse estudo indica que o bagaço de carambola apresenta um bom potencial para obtenção de açúcares fermentescíveis, o que atribui valor a esse resíduo, podendo esse ser aplicado para a produção de bioetanol. 5. REFERÊNCIAS ABDULLAH, A.L.; SULAIMAN, N.M.; AROUA, M.K.; NOOR, M.M.M. Response surface optimization of conditions of clarification of carambola fruit juice using a commercial enzyme. J. Food Eng., v.81, p.65-71, ALMEIDA, M.B.; SOUZA, W.C.O.; BARROS, J.R.A.; BARROSO, P.A.; VILAR, F.C.R. Caracterização física e química dos frutos da carambola (Averroa carambola L.) produzidos em Petrolina-PE. Rev.Semiárido de Visu, v.1, p , ANTUNES, D.; SANTOS, M.; SOARES, E.; BARBOSA, K.; VIEIRA, R.; VIANA, V.; ALMEIRA, R. Estudo do pré-tratamento ácido da palma forrageira para a produção de etanol de segunda geração. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , 2015a. ANTUNES, D.; VIANA, V.; SANTOS, M.; SOARES, E.; BARBOSA, K.; MOURA, K.; VIEIRA, R.C.; ALMEIDA, R.M.R.G. Produção de bioetanol de segunda geração a partir de hidrolisado de laranja como fonte de biomassa lignocelulósica. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , 2015b. FRASINELLI, L.; CRISTOVÃO, C.; TERÁN-HILARES, R.; SILVA, S.S.; SANTOS, J.C. Avaliação do pré-tratamento alcalino do bagaço de cana-de-açúcar com hidróxido de cálcio visando-se ao aumento da digestibilidade enzimática da celulosa. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p.1046=1051, GONDIM, J.A.M.; MOURA, M.F.V.; DANTAS, A.S.; MEDEIROS, R.L.S.; SANTOS, K.M. Composição centesimal e de minerais em cascas de frutas. Ciênc. Tecnol. Aliment., v.25, p , IAL Normas Analíticas do Instituto Adolfo Lutz. Métodos químicos e físicos para análise de alimentos. São Paulo. IMESP, 2008.

8 MACHADO, C.M.M.; ABREU, F.R. Produção de álcool combustível a partir de carboidratos. Rev. Polit. Agríc., v.3, p.64-78, MALDONADO, R.R.; ARAÚJO, L.C.; DARIVA, L.C.S; REBAC, K.N.; PINTO, I.A.S.; PRADO, J.P.R.; SAEKI, J.K.; SILVA, T.S.; TAKEMTASU, E.K.; TIENE, N.V.; AGUIAR-OLIVEIRA, E. Fermentação lactica de frutas tropicais. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , OGASSAVARA, F.O.; DURIGAN, J.F.; TEIXEIRA, G.H.D.A.; JÚNIOR, L.C.C. Comparação entre cultivares de carambola para produção de produtos minimamente processados. Rev.Bras.Frut., v.31, p OGEDA, T.L.; PETRI, D.F. Hidrólise enzimática de biomassa. Quim.Nova, v.33, p , RODRIGUES, M.I.; IEMMA, A.F. Experimental design and process optimization. Boca Raton. CRC Press, SANTOS, M.; PIMENTEL, W.; SILVA, M.; ALMEIDA, R.; CRUZ, A. Avaliação do pré-tratamento ácido do sabugo de milho visando a produção de etanol 2G. Blucher Chem.Eng.Proceed., v.1, p , 2015a. SANTOS, M.; PIMENTEL, W.; SILVA, M.; ALMEIRA, R.; CRUZ, A. Estudo do pré-tratamento ácido da palha de milho para obtenção de etanol de segunda geração. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , 2015b. SILVA, C.; SILVA, I.; SILVA, L.; ALMEIDA, R.; ABUD, A. Avaliação do potencial de uso do bagaço de laranja visando a produção de etanol 2G. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , 2015a. SILVA, C.; SILVA, I.; GOIS, G.; ALMEIDA, R.; ABUD, A. Avaliação das condições de prétratamento e hidrólise enzimática do resíduo do processamento de graviola visando a obtenção de etanol 2G. Blucher Chem. Eng. Proceed., v.1, p , 2015b. VALIM, F.P. Produção de fermentado alcoólico de carambola. Monografia em Engenharia Química, Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu-SP, VICENTE, J.; DO NASCIMENTO, K.D.O.; SALDANHA, T.; BARBOSA, M.I.M.J.; JÚNIOR, J.L.B. Composição química, aspectos microbiológicos e nutricionais de geleias de carambola e de hibisco orgânicas. Rev.Verde Agroecol.Desenv.Sustent., v.9, p , XU, J.; CHENG, J.J.; SHARMA-SHIVAPPA, R.R.; BURNS, J.C. Sodium hydroxide pretreatment of switch grass for ethanol production. Energy Fuels, v.24, p , 2010.