Resumo: --- / Doutor

Hemicelulose extraída do bagaço de cana-de-açúcar foi hidrolisada por enzimas de Thermoascus aurantiacus, Trichoderma reesei e Aspergilus niger para obtenção de xilo-oligossacarídeos (XOs). A hemicelulose foi extraída com hidróxido de sódio na presença de antraquinona, sulfito de sódio ou peróxido de hidrogênio. O uso de antraquinona ou sulfito aumentou o rendimento de extração, porém a hemicelulose apresentou baixa solubilidade em água, propriedade inadequada para a hidrólise enzimática. A extração da hemicellulose com peróxido de hidrogênio em meio alcalino foi otimizada através de um planejamento fatorial completo 24 variando-se a concentração de H2O2 de 2 a 6% (m/v), tempo de reação de 4 a 16 h, temperatura de 20 a 60°C e presença ou não de 0,5% de sulfato de magnésio. No ponto central o rendimento de extração de hemicelulose foi de 94,5% com remoção de mais que 88% da lignina. Um rendimento de 86% de hemicelulose com baixo teor de lignina (5,9%) foi obtido em 6% de peróxido de hidrogênio por 4h a 20°C. Nessa condição a hemicelulose apresentou massa molar de 21.000 g/mol, composição aproximada de 81% xilose, 4% de arabinose, 4% de glicose e 3% de ácidos urônicos, alta solubilidade em água (90 % em massa) e coloração amarelo claro. As enzimas usadas na hidrólise dessa hemicelulose foram produzidas pelo cultivo dos fungos em meio sólido contento farelo de trigo. Em todos os extratos foi observada baixa atividade de endoglucanase e β-xilosidase e elevadas atividades de endo-β-1,4-xilanase. A máxima atividade de xilanase foi produzida por T. aurantiacus (1500 U/g), enquanto A. niger produziu 500 U/g e T. reesei 240 U/g, em 5 dias de cultivo. O perfil de produção de XOs com enzimas de T. aurantiacus e T. reesei foi semelhante, o principal produto foi xilobiose, seguido por xilose, xilotriose, xilotetraose e xilopentaose, sendo esses XOs de cadeia linear. A hidrólise da hemicelulose com enzimas de A. niger produziu exclusivamente xilose, consequência da presença de elevada atividade de β-xilosidase. A velocidade de conversão da hemicelulose em XOs com as enzimas de T. reesei foi maior no início da reação (6 h), diminuindo a partir de 24 h, período em que inicia a produção de xilose. A influência da concentração de substrato e carga de xilanase na conversão da hemicelulose em XOs foi avaliada através de um planejamento experimental 22 com face centrada. A condição otimizada da hidrólise (2,6% substrato e 60 U/g de endo-β-1,4-xilanase) com o extrato de T. aurantiacus resultou em 42% de conversão em XOs. A otimização da hidrólise da hemicelulose com o extrato de T. reesei resultou em uma conversão máxima de 20%, com ótimo de 3,8 % de substrato e 87,5 U/g de endo-β-1,4-xilanase. A eficiência da hidrólise com enzimas de T. aurantiacus foi maior que a obtida com alguns extratos comerciais testados neste trabalho. Além disso, apresentaram capacidade de degradar hemiceluloses de diferentes fontes: bétula e semente de aveia, com composições variadas. Diferenças na composição de açúcares e teor de lignina não interferiram na ação dessas enzimas. A hidrólise enzimática mostrou-se mais apropriada para a produção de XOs do que a auto-hidrólise, que gerou predominantemente xilose e houve formação de furfural. Apesar do curto tempo de reação, a produção de XOs foi menor e há necessidade de purificação para obtenção de um produto final com características desejáveis. / Hemicellulose extracted from sugarcane bagasse was hydrolyzed by enzymes from Thermoascus aurantiacus, Trichoderma reesei and Aspergilus niger to cause the degradation of xylan to xylooligosaccharides (XOs). Hemicellulose was extracted with hydrogen peroxide in the presence of antraquinone, sodium sulphite or hydrogen peroxide. Hemicelluloses extracted with antraquinone or sulphite presented low solubility in water, which is not appropriated to enzymatic hydrolysis. To maximize the hemicellulose yields several extraction conditions were examined applying the 24 factorial design: H2O2 concentration from 2 to 6% (w/v), reaction time from 4 to 16 h, temperature from 20 to 60°C, and magnesium sulfate absence or presence (0.5%, w/v). This approach allowed selection of conditions for the extraction of low and high lignin content hemicellulose. At midpoint the yield of hemicellulose was 94.5% with more than 88% of lignin removed. Hemicellulose in 86% yield with low lignin content (5.9%) was obtained with 6% H2O2 treatment for 4 h and 20°C. This hemicellulose is much lighter in color than samples obtained at the midpoint condition and was found suitable for subsequent enzymatic hydrolysis. The molecular weight of hemicellulose was 21,000 g/mol with composition of aproximately 81% xylose, 4% arabinose, 4% glucose and 3% uronic acids, high water solubility (90 %). Enzymes for hemicellulose hydrolysis were produced by the fungi on wheat bran. Cellulases and hemicellulases were present in all extracts especially the endo-β-1,4-xylanase. The profile of production of XOs obtained on hydrolysis with enzymes from T. aurantiacus and T. reesei was similar, with the main product xylobiose, followed by xylose, xylotriose, xylotetraose and xylopentaose, and these XOs showed linear chain. The hydrolysis of hemicellulose with enzymes of A. niger produced exclusively xylose, a consequence of β-xylosidase content. The rate of conversion of hemicellulose in XOs with enzymes of T. reesei was higher at the beginning of the reaction (6 h), decreasing from 24 h, when starts the production of xylose. The influence of substrate concentration and loading of xylanase in conversion of hemicellulose to XOs was evaluated by an 22 full factorial design with centered face. Optimization of hydrolysis (2.6% substrate and 60 U/g endo-β-1,4-xylanase) with the extract of T. aurantiacus resulted in 42 % conversion XOs. The optimization with the extract of T. reesei resulted in a conversion of hemicellulose up to 20%, with optimal substrate 3.8% and 87.5 U/g endo-β-1,4-xylanase. The efficiency of hydrolysis by enzymes from T. aurantiacus was superior to commercial extracts, and showed ability to degrade hemicelluloses of different compositions (birchwood and oat spelt). The structural differences, such as branches and lignin content did not affect the action of these enzymes. The differences in the efficiency and extent of enzymatic hydrolysis by enzymes of these fungi might have occurred in function of differences in physicochemical properties and specific activity. The enzymatic hydrolysis was more appropriate for production of XOs than autohydrolysis, which generated predominantly xylose and formation of furfural. Despite of short reaction time, the production of XOs was low and purification is needed in order to obtain a final product with desirable characteristics.

Hemicelulose extraída do bagaço de cana-de-açúcar foi hidrolisada por enzimas de Thermoascus aurantiacus, Trichoderma reesei e Aspergilus niger para obtenção de xilo-oligossacarídeos (XOs). A hemicelulose foi extraída com hidróxido de sódio na presença de antraquinona, sulfito de sódio ou peróxido de hidrogênio. O uso de antraquinona ou sulfito aumentou o rendimento de extração, porém a hemicelulose apresentou baixa solubilidade em água, propriedade inadequada para a hidrólise enzimática. A extração da hemicellulose com peróxido de hidrogênio em meio alcalino foi otimizada através de um planejamento fatorial completo 24 variando-se a concentração de H2O2 de 2 a 6% (m/v), tempo de reação de 4 a 16 h, temperatura de 20 a 60°C e presença ou não de 0,5% de sulfato de magnésio. No ponto central o rendimento de extração de hemicelulose foi de 94,5% com remoção de mais que 88% da lignina. Um rendimento de 86% de hemicelulose com baixo teor de lignina (5,9%) foi obtido em 6% de peróxido de hidrogênio por 4h a 20°C. Nessa condição a hemicelulose apresentou massa molar de 21.000 g/mol, composição aproximada de 81% xilose, 4% de arabinose, 4% de glicose e 3% de ácidos urônicos, alta solubilidade em água (90 % em massa) e coloração amarelo claro. As enzimas usadas na hidrólise dessa hemicelulose foram produzidas pelo cultivo dos fungos em meio sólido contento farelo de trigo. Em todos os extratos foi observada baixa atividade de endoglucanase e β-xilosidase e elevadas atividades de endo-β-1,4-xilanase. A máxima atividade de xilanase foi produzida por T. aurantiacus (1500 U/g), enquanto A. niger produziu 500 U/g e T. reesei 240 U/g, em 5 dias de cultivo. O perfil de produção de XOs com enzimas de T. aurantiacus e T. reesei foi semelhante, o principal produto foi xilobiose, seguido por xilose, xilotriose, xilotetraose e xilopentaose, sendo esses XOs de cadeia linear. A hidrólise da hemicelulose com enzimas de A. niger produziu exclusivamente xilose, consequência da presença de elevada atividade de β-xilosidase. A velocidade de conversão da hemicelulose em XOs com as enzimas de T. reesei foi maior no início da reação (6 h), diminuindo a partir de 24 h, período em que inicia a produção de xilose. A influência da concentração de substrato e carga de xilanase na conversão da hemicelulose em XOs foi avaliada através de um planejamento experimental 22 com face centrada. A condição otimizada da hidrólise (2,6% substrato e 60 U/g de endo-β-1,4-xilanase) com o extrato de T. aurantiacus resultou em 42% de conversão em XOs. A otimização da hidrólise da hemicelulose com o extrato de T. reesei resultou em uma conversão máxima de 20%, com ótimo de 3,8 % de substrato e 87,5 U/g de endo-β-1,4-xilanase. A eficiência da hidrólise com enzimas de T. aurantiacus foi maior que a obtida com alguns extratos comerciais testados neste trabalho. Além disso, apresentaram capacidade de degradar hemiceluloses de diferentes fontes: bétula e semente de aveia, com composições variadas. Diferenças na composição de açúcares e teor de lignina não interferiram na ação dessas enzimas. A hidrólise enzimática mostrou-se mais apropriada para a produção de XOs do que a auto-hidrólise, que gerou predominantemente xilose e houve formação de furfural. Apesar do curto tempo de reação, a produção de XOs foi menor e há necessidade de purificação para obtenção de um produto final com características desejáveis. / Hemicellulose extracted from sugarcane bagasse was hydrolyzed by enzymes from Thermoascus aurantiacus, Trichoderma reesei and Aspergilus niger to cause the degradation of xylan to xylooligosaccharides (XOs). Hemicellulose was extracted with hydrogen peroxide in the presence of antraquinone, sodium sulphite or hydrogen peroxide. Hemicelluloses extracted with antraquinone or sulphite presented low solubility in water, which is not appropriated to enzymatic hydrolysis. To maximize the hemicellulose yields several extraction conditions were examined applying the 24 factorial design: H2O2 concentration from 2 to 6% (w/v), reaction time from 4 to 16 h, temperature from 20 to 60°C, and magnesium sulfate absence or presence (0.5%, w/v). This approach allowed selection of conditions for the extraction of low and high lignin content hemicellulose. At midpoint the yield of hemicellulose was 94.5% with more than 88% of lignin removed. Hemicellulose in 86% yield with low lignin content (5.9%) was obtained with 6% H2O2 treatment for 4 h and 20°C. This hemicellulose is much lighter in color than samples obtained at the midpoint condition and was found suitable for subsequent enzymatic hydrolysis. The molecular weight of hemicellulose was 21,000 g/mol with composition of aproximately 81% xylose, 4% arabinose, 4% glucose and 3% uronic acids, high water solubility (90 %). Enzymes for hemicellulose hydrolysis were produced by the fungi on wheat bran. Cellulases and hemicellulases were present in all extracts especially the endo-β-1,4-xylanase. The profile of production of XOs obtained on hydrolysis with enzymes from T. aurantiacus and T. reesei was similar, with the main product xylobiose, followed by xylose, xylotriose, xylotetraose and xylopentaose, and these XOs showed linear chain. The hydrolysis of hemicellulose with enzymes of A. niger produced exclusively xylose, a consequence of β-xylosidase content. The rate of conversion of hemicellulose in XOs with enzymes of T. reesei was higher at the beginning of the reaction (6 h), decreasing from 24 h, when starts the production of xylose. The influence of substrate concentration and loading of xylanase in conversion of hemicellulose to XOs was evaluated by an 22 full factorial design with centered face. Optimization of hydrolysis (2.6% substrate and 60 U/g endo-β-1,4-xylanase) with the extract of T. aurantiacus resulted in 42 % conversion XOs. The optimization with the extract of T. reesei resulted in a conversion of hemicellulose up to 20%, with optimal substrate 3.8% and 87.5 U/g endo-β-1,4-xylanase. The efficiency of hydrolysis by enzymes from T. aurantiacus was superior to commercial extracts, and showed ability to degrade hemicelluloses of different compositions (birchwood and oat spelt). The structural differences, such as branches and lignin content did not affect the action of these enzymes. The differences in the efficiency and extent of enzymatic hydrolysis by enzymes of these fungi might have occurred in function of differences in physicochemical properties and specific activity. The enzymatic hydrolysis was more appropriate for production of XOs than autohydrolysis, which generated predominantly xylose and formation of furfural. Despite of short reaction time, the production of XOs was low and purification is needed in order to obtain a final product with desirable characteristics.

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No. of bitstreams: 1 DissMAF.pdf: 3997675 bytes, checksum: 3238bd54da33e9d0c201deb533005fa2 (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Xylooligosaccharides (XOS) are short-chain polymers of xylose (2 to 7 units) which can be produced by enzymatic hydrolysis of the xylan from the lignocellulosic feedstocks. XOS have a great potential as probiotic ingredients, and when they are incorporated in diets, they can provide many health benefits. The worldwide interest in the use of lignocellulosic residues is constantly growing, and in this scenario the soybean hull arises as a potential residue of the Brazilian agroindustry. The bioconversion of these residues to value-added products requires suitable pretreatments to deconstruct/disorganize the recalcitrant lignocellulosic complex, separating its main fractions: cellulose, hemicellulose, and lignin. In this context, this work did evaluate different biomass pretreatments aiming to produce XOS by the action of a Bacillus subtilis endoxylanase. Initially, the conditions for maximum catalytic activity of this enzyme were evaluated changing pH, buffer, and temperature. Among these parameters, 50 mM citrate buffer, pH 5.5, and 45 oC were the one that gave highest activity. The in nature soybean hull (previously chemically characterized) was hydrolyzed with soluble endoxylanase with different enzyme loads (40, 80, and 100 U/g biomass) under preestablished pH and temperature, producing around 55 mg RS/g dry biomass. This result, though little expressive, showed the viability of XOS production from soybean hull. However, this approach requires a suitable pretreatment of the lignocellulosic biomass to improve the endoxylanase accessibility to the C-5 fraction. Several pretreatments were performed in the soybean hulls, such as, enzymatic deproteinization, hydrogen peroxide/acetic acid pretreatment, and organosolv-ethanol pretreatment. For some pretreatments, reagent concentration and reaction time were evaluated, as well as, sequential pretreatment. Besides, enzymatic hydrolysis of the in nature soybean hull under microwave irradiation was also evaluated. The deproteinization of the soybean hull was not very efficient to the enzymatic hydrolysis of the remnant solid (production of 30 mg RS/dry biomass). However, this pretreatment allows the protein recovery as a high nutritional value hydrolysate. The pretreatment of the deproteinized soybean hulls with hydrogen peroxide solution (5 M, 1 h) removed 56% lignin without cellulose losses. However, this pretreatment did not contribute to an efficient action of the endoxylanase to the hemicellulose fraction (production of around 30 mg RS/g dry biomass). The organosolv-(50% v/v)ethanol pretreatment of the deproteinized soybean hulls promoted the removal of around 50% lignin, with low solubilization of hemicellulose (<17%), producing a poor substrate for the endoxylanase. The organosolv pretreatments with 50 and 70% (v/v) ethanol of the in nature soybean hull were able to solubilize around 30% hemicellulose, allowing the production of around 76 and 49 mg RS/g dry biomass, respectively, after hydrolysis with endoxylanase. Finally, the microwave action on the lignocellulosic biomass probably decreased the biomass recalcitrance, because the hydrolysis of the in nature soybean hulls catalyzed by the endoxylanase (100 IU / g of biomass) yielded approximately 100 mg of RS/g dry biomass. On the other hand, the hydrolysis performed in a reactor under conventional heating produced only 52 mg RS/g dry biomass. The results of this work did show that the combination of microwave irradiation and enzymatic hydrolysis might be a promising alternative to produce XOS. Keywords: soybean hulls; xylo-oligosaccharides; pretreatments / Xilo-oligossacarídeos (XOS) são polímeros de xilose de cadeia curta (2 a 7 unidades) que podem ser obtidos por hidrólise enzimática da xilana presente na fração de hemicelulose dos materiais lignocelulósicos. XOS possuem um grande potencial como ingredientes prebióticos, e quando incorporados na dieta, podem fornecer muitos benefícios à saúde. O interesse mundial no aproveitamento de resíduos lignocelulósicos é cada vez maior, e no cenário nacional a casca de soja se destaca como um potencial resíduo da agroindústria brasileira. Para viabilizar a bioconversão desses resíduos em produtos de interesse comercial (etanol 2G e XOS, por exemplo) são necessários pré-tratamentos, que atuam desconstituindo/desorganizando a estrutura altamente recalcitrante do complexo lignocelulósico e separando as frações principais da biomassa: celulose, hemicelulose e lignina. Neste contexto, este trabalho teve por objetivo avaliar diferentes pré-tratamentos da biomassa para produzir sequencialmente XOS por ação de uma endoxilanase de Bacillus subtilis. Inicialmente as condições de máxima atividade catalítica dessa enzima foram avaliadas variando pH, tampão e temperatura. Dentre as variáveis estudadas, as que contribuíram para uma melhor atividade da endoxilanase foram tampão citrato de sódio (50mM) pH 5,5 e 45 °C. A casca de soja in natura (previamente caracterizada quimicamente) foi hidrolisada com endoxilanase solúvel com diferentes cargas enzimáticas (40, 80 e 100 U/g casca) nas condições de pH e temperatura pré-estabelecidas, produzindo em média 55 mg de AR/g biomassa seca. Esse resultado, embora pouco expressivo, demonstrou a viabilidade da produção de XOS a partir de casca de soja, requerendo, entretanto, um pré-tratamento adequado para melhorar a acessibilidade da endoxilanase à fração C-5 da biomassa. Os pré-tratamentos avaliados foram a desproteinização enzimática da casca, prétratamento com peróxido de hidrogênio e ácido acético e pré-tratamento organossolve-etanol, variando nestes, as concentrações de solventes, tempo de reação e pré-tratamentos sequenciais. Adicionalmente, realizou-se a hidrólise enzimática da casca de soja in natura em reator micro-ondas. A desproteinização da casca de soja mostrou-se ineficiente para a hidrólise da fração sólida remanescente com endoxilanase (produção de 30 mg de AR/g biomassa seca), embora esse pré-tratamento permita a recuperação de proteínas como um hidrolisado de alto valor nutricional. O pré-tratamento com peróxido de hidrogênio (5 M, 1 h) para casca de soja desproteinizada removeu 56% de lignina sem perdas de celulose, entretanto, este pré-tratamento não contribuiu para uma eficiente atuação da endoxilanase sobre a fração hemicelulósica (produção de aproximadamente 30 mg de AR/g biomassa seca). O pré-tratamento organossolve-etanol 50% (v/v) da casca de soja desproteinizada removeu em torno de 50% de lignina com baixa solubilização de hemicelulose (< 17%), gerando, portanto, um líquido com baixa concentração de substrato para a ação da endoxilanase. Os pré-tratamentos organossolve-etanol 50 e 70% (v/v) da casca de soja in natura foram capazes de solubilizar em torno de 30% da hemicelulose, sendo possível a produção de 76 e 49 mg de AR/g de biomassa seca, respectivamente, após hidrólise com endoxilanase. Por fim, a ação das microondas sobre a biomassa lignocelulósica provavelmente reduziu a recalcitrância da biomassa, pois a hidrólise da casca in natura com endoxilanase (100 U/g de casca) produziu aproximadamente 100 mg de AR/g de biomassa seca, ao contrário da hidrólise conduzida em reator com aquecimento convencional que produziu em torno de 52 mg de AR/g de biomassa seca. Os resultados deste trabalho indicam que a combinação de irradiação micro-ondas e hidrólise enzimática pode ser uma alternativa promissora para a produção de XOS.