Reticulação de xilanas de baixa massa molar via acoplamento oxidativo dos ácidos hidroxicinâmicos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Ana Maria dos Santos Camargos
Orientador(a): André Luis Ferraz
Banca de defesa: Sarita Cândida Rabelo
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
Programa de Pós-Graduação: Biotecnologia Industrial
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: https://doi.org/10.11606/D.97.2020.tde-05082021-155216
Resumo: A utilização de material lignocelulósico nas biorrefinarias, como o bagaço de cana de-açúcar, atende à demanda atual por tecnologias mais sustentáveis. Nesse contexto, a xilana, polissacarídeo hemicelulósico mais abundante em gramíneas, possui potencial de aplicação biotecnológica em diversos setores da indústria. Esse polissacarídeo apresenta interações físicas e químicas com os outros componentes da parede celular, sendo requeridas uma ou mais etapas de pré-tratamento para aumentar a acessibilidade aos polissacarídeos e propiciar seu aproveitamento. Dentre os tratamentos mais utilizados, o processo quimiotermomecânico que emprega sulfito alcalino é o responsável pela solubilização de frações da lignina e baixa remoção de polissacarídeos. O sólido pré-tratado pode ser encaminhado para etapas de sacarificação enzimática e fermentação dos monômeros gerados. Entretanto, a fermentação de pentoses não é tão eficiente quanto a de hexoses, demonstrando que seria interessante isolar a fração de xilana para geração de produtos de valor agregado. Essa extração pode ser conduzida por meio de tratamento enzimático, porém as xilanas extraídas apresentam uma baixa massa molar. Além disso, possivelmente se encontram associadas a porções de ácidos hidroxicinâmicos através de uma ligação éster entre a arabinose e o ácido hidroxicinâmico. A reticulação das xilanas de baixa massa molar a partir dos terminais fenólicos dos ácidos hidroxicinâmicos empregando enzimas oxidativas se apresenta como alternativa para promover o aumento da massa molar e possibilitar a expansão das aplicações desses materiais poliméricos. Dessa forma, o presente trabalho avaliou a extração de xilanas de bagaço pré-tratado com sulfito alcalino utilizando xilanases e desenvolveu processos de reticulação enzimática das frações de xilana empregando enzimas oxidativas como peroxidase de rabanete (HRP) e lacase. A caracterização química da xilana extraída com endoxilanases mostrou que ela continha cerca de 1% de ácido ferúlico e 4% de ácido p-cumárico em sua composição, os quais representam possíveis sítios de acoplamento oxidativo no material. O acoplamento oxidativo desta xilana catalisado por lacase foi desenvolvido com base em um planejamento experimental 22 , no qual foi verificado que apenas a carga enzimática afetou significativamente a formação de uma xilana reticulada, enquanto que o tempo de reação entre 4 h e 24 h não afetou a reação. A caracterização química e espectroscópica de uma xilana reticulada preparada em escala ampliada revelou um material composto por xilana, mas também por proteínas precipitadas simultaneamente durante o processo de recuperação da xilana. A massa molar da xilana reticulada foi cerca de 90 vezes superior à xilana extraída de partida. Os espectros UV da xilana de partida e da xilana reticulada diferiram nas absorções características das estruturas conjugadas dos hidroxicinâmicos, sugerindo que o acoplamento oxidativo ocorreu em função da abertura das α-β insaturações dos precursores. As xilanas extraída e reticulada também exibiram atividade antioxidante frente ao radical ABTS\'. Os ensaios de acoplamento oxidativo empregando duas peroxidases (HRP) demonstraram que, mesmo em pequena extensão, foram observadas xilanas de maior massa molar na maior carga enzimática testada. De uma forma geral, o trabalho indicou que é possível reticular xilana de bagaço de cana por via enzimática oxidativa e, assim, gerar novos materiais que podem agregar valor à utilização de bagaço de cana no contexto das biorrefinarias.
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Esse polissacarídeo apresenta interações físicas e químicas com os outros componentes da parede celular, sendo requeridas uma ou mais etapas de pré-tratamento para aumentar a acessibilidade aos polissacarídeos e propiciar seu aproveitamento. Dentre os tratamentos mais utilizados, o processo quimiotermomecânico que emprega sulfito alcalino é o responsável pela solubilização de frações da lignina e baixa remoção de polissacarídeos. O sólido pré-tratado pode ser encaminhado para etapas de sacarificação enzimática e fermentação dos monômeros gerados. Entretanto, a fermentação de pentoses não é tão eficiente quanto a de hexoses, demonstrando que seria interessante isolar a fração de xilana para geração de produtos de valor agregado. Essa extração pode ser conduzida por meio de tratamento enzimático, porém as xilanas extraídas apresentam uma baixa massa molar. Além disso, possivelmente se encontram associadas a porções de ácidos hidroxicinâmicos através de uma ligação éster entre a arabinose e o ácido hidroxicinâmico. A reticulação das xilanas de baixa massa molar a partir dos terminais fenólicos dos ácidos hidroxicinâmicos empregando enzimas oxidativas se apresenta como alternativa para promover o aumento da massa molar e possibilitar a expansão das aplicações desses materiais poliméricos. Dessa forma, o presente trabalho avaliou a extração de xilanas de bagaço pré-tratado com sulfito alcalino utilizando xilanases e desenvolveu processos de reticulação enzimática das frações de xilana empregando enzimas oxidativas como peroxidase de rabanete (HRP) e lacase. A caracterização química da xilana extraída com endoxilanases mostrou que ela continha cerca de 1% de ácido ferúlico e 4% de ácido p-cumárico em sua composição, os quais representam possíveis sítios de acoplamento oxidativo no material. O acoplamento oxidativo desta xilana catalisado por lacase foi desenvolvido com base em um planejamento experimental 22 , no qual foi verificado que apenas a carga enzimática afetou significativamente a formação de uma xilana reticulada, enquanto que o tempo de reação entre 4 h e 24 h não afetou a reação. A caracterização química e espectroscópica de uma xilana reticulada preparada em escala ampliada revelou um material composto por xilana, mas também por proteínas precipitadas simultaneamente durante o processo de recuperação da xilana. A massa molar da xilana reticulada foi cerca de 90 vezes superior à xilana extraída de partida. Os espectros UV da xilana de partida e da xilana reticulada diferiram nas absorções características das estruturas conjugadas dos hidroxicinâmicos, sugerindo que o acoplamento oxidativo ocorreu em função da abertura das α-β insaturações dos precursores. As xilanas extraída e reticulada também exibiram atividade antioxidante frente ao radical ABTS\'. Os ensaios de acoplamento oxidativo empregando duas peroxidases (HRP) demonstraram que, mesmo em pequena extensão, foram observadas xilanas de maior massa molar na maior carga enzimática testada. De uma forma geral, o trabalho indicou que é possível reticular xilana de bagaço de cana por via enzimática oxidativa e, assim, gerar novos materiais que podem agregar valor à utilização de bagaço de cana no contexto das biorrefinarias. Lignocellulosic material utilization in biorefineries, such as sugarcane bagasse, meets the current demand for more sustainable technologies. In this context, xylan, the most abundant hemicellulosic polysaccharide in grasses, has the potential for several biotechnological applications in industry. This polysaccharide has physical and chemical interactions with other cell wall components, requiring one or more pre-treatment steps to increase polysaccharides accessibility for their utilization. Among the most employed treatments, alkaline-sulfite chemothermomechanical process is responsible for lignin fractions solubilization and low polysaccharide removal. The pretreated solids can be forwarded to enzymatic saccharification and fermentation. However, pentoses fermentation is not as efficient as that of hexoses, demonstrating that it would be interesting to isolate the xylan fraction, generating new value-added products. This extraction can be carried out through enzymatic treatment, however the extracted xylans have a low molar mass. In addition, they are possibly associated with hydroxycinnamic acids through an ester bond between arabinose and hydroxycinnamic acid. Low molar mass xylans cross-linking from the phenolic terminals of hydroxycinnamic acids catalyzed by oxidative enzymes is an alternative to increase the molecular size and enable the applications of these polymeric materials. Thus, the present work evaluated xylan extraction from alkaline-sulfite pretreated sugarcane bagasse using xylanases and developed enzymatic cross-linking processes of the xylan fractions using oxidative enzymes such as horseradish peroxidase (HRP) and laccase. The chemical characterization of xylan extracted with endoxylanases showed that it contained about 1% of ferulic acid and 4% of p-coumaric acid, which represent possible oxidative coupling sites in the material. The laccase-catalyzed oxidative coupling of this xylan was developed based on a 22 experimental design, in which it was verified that only the enzymatic load significantly affected the formation of a cross-linked xylan, while the reaction time between 4 h and 24 h did not affect the reaction. The chemical and spectroscopic characterization of a cross-linked xylan prepared after reaction scale-up revealed a material composed of xylan, but also proteins which precipitated during the xylan recovery process. The cross-linked xylan molar mass was about 90 times higher than that of originally extracted xylan. The UV spectra of the starting xylan and the cross-linked xylan differed in the characteristic absorptions of the hydroxycinnamic conjugated structures, suggesting that the oxidative coupling occurred due to the precursors α-β unsaturation opening. The extracted and cross-linked xylans also exhibited antioxidant activity against the ABTS radical. The oxidative coupling assays using two HRPs demonstrated that, even to a smaller extent, xylans of higher molar mass were observed at the highest enzyme load tested. In general, the work indicated that it is possible to crosslink xylan from sugarcane bagasse through an oxidative enzymatic route and, thus, generate new materials that can add value to the use of sugarcane bagasse in the context of biorefineries. https://doi.org/10.11606/D.97.2020.tde-05082021-155216info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2023-12-21T18:16:29Zoai:teses.usp.br:tde-05082021-155216Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212021-08-05T19:02:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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