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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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/7439 |
| Date | 30 March 2015 |
| Creators | Fonseca, Murilo Amaral |
| Contributors | Tardioli, Paulo Waldir |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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