Organosolv pretreatment assessment on fruit waste to obtain platform chemicals and bioplastics - Zamora, Hernán Darío Zamora [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
Esta pesquisa consistiu em duas fases principais, a primeira relacionada com avaliar os efeitos de um pré-tratamento organossolve etanólico catalisado por álcali (OHEOP) na composição e estrutura lignocelulósica (LC) do pseudocaule de bananeira e da torta de semente de goiaba, e na obtenção de uma fração rica em celulose (CL), hemiceluloses (HC) e lignina (LG). E, a segunda fase relacionada com a produção e caracterização de bioplásticos com base em quitosana (Ch) e adição de HC e LG extraídos de pseudocaule de bananeira e da torta de semente de goiaba. Na primeira fase, a avaliação do OHEOP foi realizada por meio de um planejamento composto central 23. Os fatores do planejamento foram a concentração do álcali (OHC) em relação à massa do resíduo, temperatura (T), e concentração da solução aquosa de etanol (EC), e as variáveis de resposta foram o rendimento mássico de HC extraídas (HCy), o rendimento mássico de LG extraída (LGy) e a conversão de celulose (CLX). Além disso, o OHEOP envolveu caracterizações químicas dos resíduos pré-tratados e não tratados, e hidrólise enzimática (Cellic® CTec2). As HC e LG extraídas foram analisadas por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), comparando-as com produtos comerciais. Com um nível de confiança de 95%, a T foi o fator com maior influência nas variáveis de resposta. Para o pseudocaule de bananeira, 78% correspondeu ao máximo HCy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), 35.2% para LGy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 10%) e 96.6% para CLX (a 120 ºC, EC de 70%, e OHC de 60%). E, no caso da torta de semente de goiaba, 97.3% foi o mais alto HCy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), 45.0% para LGy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), e 50.3% para CLX (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%). Na segunda fase, bioplásticos foram produzidos pelo método casting, apresentando uma estrutura homogênea, flexível, e sem rachaduras, e tendo a intensidade da cor aumentando proporcionalmente com a massa de HC e LG adicionadas. Os bioplásticos com adição de 10, 5, e 25% de HC apresentaram maior teor de umidade (22.3%), solubilidade em água (22.4%), e opacidade (1.95 mm-1), respetivamente. A adição de 10% de LG no bioplástico resultou nas maiores percentagens de umidade (19.4%) e opacidade (4.75%). A adição de HC e LG melhorou a resistência à tração e o módulo de Young, enquanto o inchamento dos bioplásticos reduziu. A análise termogravimétrica revelou que a degradação dos bioplásticos ocorreu em quatro etapas diferentes; a primeira de evaporação de água e ácido acético, a segunda de degradação de glicerina, a terceira de despolimerização de HC, Ch e LG, e a última correspondente à etapa de carbonização. De acordo com os resultados o OHEOP permitiu extrair HC e LG semelhantes aos encontrados comercialmente, e estes componentes como aditivos na produção de bioplásticos contribuíram com a melhoria em algumas propriedades, com potencial para aplicação na indústria de alimentos ou na medicina.

This research consisted of two main phases, the first one related to assess effects of an ethanolic organosolv pretreatment catalyzed by alkali (OHEOP) on the lignocellulosic (LC) composition and structure of banana pseudostem and guava seed cake, and on the obtaining of a rich fraction in cellulose (CL), hemicelluloses (HC) and lignin (LG). And the second one linked to produce and characterize bioplastics based on chitosan (Ch) and addition of HC and LG extracted from banana pseudostem and guava seed cake. In the first phase, the OHEOP evaluation was performed through a central composite design 23. The factors were the alkali concentration (OHC) in relation to the waste mass, temperature (T), and concentration of the ethanolic aqueous solution (EC), and the response variables were the mass yield of extracted HC (HCy), the mass yield of extracted LG (LGy), and the cellulose conversion (CLX). Additionally, the OHEOP involved chemical characterizations of the pretreated and untreated wastes, and enzymatic hydrolysis (Cellic® CTec2). The extracted HC and LG were analyzed by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, comparing them with commercial products. With a confidence level of 95%, T was the factor with the greatest influence on the response variables. For banana pseudostem, 78% corresponded to the maximum HCy (at 170 ºC, EC of 30%, and OHC of 60%), 35.2% for LGy (at 170 ºC, EC of 30%, and OHC of 10%) and 96.6% for CLX (at 120 ºC, EC of 70%, and OHC of 60%). And, in the case of guava seed cake, 97.3% was the highest HCy (at 170 ºC, EC of 30%, and OHC of 60%), 45.0% for LGy (at 170 ºC, EC of 30%, and OHC of 60%), and 50.3% for CLX (at 170 ºC, EC of 30%, and OHC of 60%). In the second phase, bioplastics were produced by the casting method, presenting a homogeneous, flexible, and without cracks structure, and having the color intensity increasing proportionally with the mass of added HC and LG. Bioplastics with the addition of 10, 5, and 25% of HC had the highest moisture content (22.3%), water solubility (22.4%), and opacity (1.95 mm-1), respectively. The addition of 10% of LG in the bioplastic resulted in the highest percentages of moisture (19.4%) and opacity (4.75 mm-1). The addition of HC and LG improved tensile strength and Young's modulus, while swelling was reduced. The thermogravimetric analysis (TGA) revealed that the bioplastics degradation occurred in four different stages; the first of water and acetic acid evaporation, the second of glycerin degradation, the third of HC, Ch, and LG depolymerization, and the last one corresponding to the carbonization stage. According to the results, the OHEOP allowed to extract HC and LG similar to the commercial ones, and these components as additives in the production of bioplastics contributed to improve some properties, with potential for application in the food or medical industry.
Avaliação do pré-tratamento organossolve em resíduos de frutas para obter químicos plataforma e bioplásticos
Keywords: Pretreatment; Organosolv; Hemicelluloses; Lignin; Bioplastics; Pré-tratamento; Organossolve; Hemiceluloses; Lignina; Bioplásticos