Hidrólise de xilana de Beechwood com xilanase comercial imobilizada em óxido de grafeno magnetizado

Abstract

A biomassa lignocelulósica trata-se de um subproduto agroindustrial de fonte renovável com alta disponibilidade e baixo custo, é rico em celulose, xilana e lignina, e, portanto, apresenta um alto potencial de aproveitamento para a produção de bioprodutos com alto valor agregado, como por exemplo, os xilo-oligossacarídeos (XOS). Entretanto, o uso de enzimas pode ser economicamente inviável dependendo de seu custo e da dificuldade de manutenção de sua estabilidade durante o processo biocatalítico. A fim de superar essas limitações, surge como uma técnica promissora a imobilização de enzimas em materiais sólidos o que oferece algumas vantagens, destacando-se a possibilidade de reuso da enzima e melhora em sua estabilidade e maior facilidade na separação do bioproduto. Nesse cenário, o óxido de grafeno (OG) se apresenta como um material promissor para a imobilização de enzimas, uma vez que este possui uma grande área superficial, compreendendo átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Nesse contexto, o presente projeto propõe imobilizar enzimas celulolíticas, de preparado enzimático comercial (Celluclast-Novozymes), em óxido de grafeno magnetizado (OGM), avaliar o potencial da imobilização no presente suporte, além do potencial de hidrólise sobre xilana comercial de Beechwood visando à produção de XOS. As atividades enzimáticas específicas médias de endoglucanase e xilanase nas condições ideais foram de 4,2 e 11,75 U.mg-1, respectivamente. Os primeiros ensaios de imobilização foram satisfatórios, apresentando uma atividade enzimática do derivado enzimático (OGM-Enz) de endoglucanase e xilanase de 191,3 e 338,5 U.g-1 (atividade por grama de derivado), respectivamente. O pré-tratamento de bagaço de cana-de-açúcar (BCA) com peroxido-ácido acético (PHAA) mostrou-se seletivo para a remoção de lignina, porém também removeu significativamente a fração hemicelulósica, resultado não desejável. A hidrólise enzimática da xilana de Beechwood com OGM-Enz resultou em uma conversão de XOS máxima de 11,5% com uma carga de 180 U.g-1 em 24 horas, resultando semelhante com a enzima em sua forma livre. Após o primeiro reciclo de hidrólise (após a recuperação do OGM-Enz) a conversão foi mantida, no entanto, após o quarto reciclo de reuso foi verificada uma conversão de 4,5% resultando em diminuição de 60%.

Lignocellulosic biomass is an agro-industrial byproduct from a renewable source with high availability and low cost, with high content of cellulose, xylan, and lignin, and, therefore, has a high potential for use in the production of bioproducts with greater added value, such as xylooligosaccharides (XOS). However, the use of enzymes may be uneconomical depending on their cost and the difficulty of maintaining their stability during the biocatalytic process. In order to overcome these constraints, the enzyme immobilization in solid materials arise as a promising technique, which offers some advantages, such as the possibility of enzyme reuse, easier byproduct separation, and better enzyme stability. In this context, graphene oxide (GO) is a propitious material for enzyme immobilization, since it has a high surface area, carrying carbon, hydrogen, and oxygen atoms. In this scenario, this work proposal aims to evaluate the immobilization of commercial xylanase (Celluclast-Novozymes) in magnetized graphene oxide (GO-MNP) and its hydrolysis potential on Beechwood xylan aiming the production of XOS. The specific enzymatic activities of endoglucanase and xylanase under ideal conditions were 4.2 and 11.75 U.mg-1, respectively. GO-MNP synthesis was successfully achieved. The first immobilization assays were satisfactory, showing an enzymatic activity of the enzymatic derivative (GO-MNP-Enz) of endoglucanase and xylanase of 191.3 and 338.5 U.g-1 (activity per gram of derivative), respectively. Pretreatment of sugarcane bagasse (SCB) with peroxide-acetic acid (PHAA) proved to be selective for the removal of lignin, but it also significantly removed the hemicellulosic fraction, unwanted result. The Beechwood xylan conversion maximum to XOS with GO-MNP-Enz was 11.5% with a load of 180 U.g-1 in 24 hours, similar results with the enzyme in its free form. After the first hydrolysis cycle (after recovery of GO-MNP-Enz) the conversion was maintained, however, after the fourth reuse cycle the Beechwood xylan conversion to XOS was 4.5%, resulting in a decrease of 60%.