Valorização do bagaço de malte usando ultrassom e peróxido de hidrogênio: um estudo visando sua estabilização, processamento e conversão em produtos de valor agregado - Sanches, Marcio Augusto Ribeiro [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
O bagaço de malte (BSG) é um coproduto que representa a maior parte dos resíduos gerados pela indústria cervejeira, totalizando cerca de 85%. A fim de maximizar o aproveitamento dessa biomassa e promover a economia circular, é fundamental abordar os desafios que permeiam desde sua estabilização inicial até o uso final desse recurso. Entre esses desafios, destaca-se a necessidade de aprimorar as etapas de pré-tratamento para viabilizar a conversão do BSG em produtos de valor agregado. Nesse contexto, a presente tese de doutorado tem como objetivo geral avaliar os diversos processos envolvidos desde a estabilização até os pré-tratamentos utilizando peróxido de hidrogênio alcalino (AHP) e/ou ultrassom de alta intensidade (US), visando melhorar a extração de proteínas e aumentar a acessibilidade do BSG pré-tratado para facilitar sua sacarificação subsequente. Inicialmente, foram investigadas as propriedades de sorção de água do BSG, com o intuito de preparar e estabilizar a biomassa para as etapas seguintes. Em seguida, analisou-se o efeito do processamento com diferentes concentrações de AHP (1–8%) e BSG (2–8%), submetidos a diferentes tempos de processamento (0–12 h), na composição química, morfologia, cristalinidade, modificações de grupos funcionais e comportamento reológico das suspensões de BSG ao longo do processamento. Posteriormente, avaliou-se a extração de proteínas do BSG utilizando ultrassom (1200 W) e peróxido de hidrogênio alcalino (3%), bem como seu impacto no rendimento da extração, propriedades estruturais (morfologia por SEM; estruturas secundárias por FTIR e tamanho dos cristais por DRX do concentrado proteico) e tecno-funcionais (capacidade de retenção de água e de óleo, capacidade de formação e estabilidade da emulsão e de espuma e cor instrumental). Em relação as propriedades de adsorção de água do BSG obtido do processo cervejeiro à base de malte de cevada (“Lager” – BSGL) e de trigo (“Weiss” – BSGW), o aumento da umidade relativa e a redução da temperatura levaram a um aumento na umidade de equilíbrio dos BSGs. As propriedades de ligação à água foram ligeiramente prejudicadas pelos maiores teores de proteína observados em BSGW. O modelo GAB foi eficaz na descrição das isotermas de adsorção, fornecendo informações sobre a umidade da monocamada em uma ampla faixa de temperatura. As análises termodinâmicas evidenciaram que os processos de adsorção foram impulsionados pela entalpia e não ocorreram espontaneamente. Uma umidade relativa de 40% foi identificada como ideal para o armazenamento dos BSGs. No que diz respeito ao processamento com AHP, observou-se que o aumento da concentração de AHP e o tempo de processamento melhoraram a remoção de proteínas, lignina e extrativos do BSG, resultando em mudanças morfológicas que indicam um aumento da acessibilidade do material. Além disso, as suspensões de BSG apresentaram comportamento não newtoniano, com aumento da resistência ao fluxo devido ao incremento da concentração de AHP, BSG e, principalmente, tempo de processamento, o que estão relacionadas com as mudanças estruturais das partículas. Por sua vez, as diferentes estratégias envolvendo ultrassom e AHP demonstraram melhorias no rendimento de extração e impactaram positivamente as propriedades estruturais e tecno-funcionais dos concentrados proteicos. A utilização dessas abordagens promissoras mostra-se como uma maneira eficaz de intensificar a extração de proteínas e aumentar a acessibilidade do BSG pré-tratado, podendo facilitar sua subsequente sacarificação. Em conclusão, o uso de AHP e/ou US apresenta-se como uma abordagem promissora para melhorar a extração de proteínas e aumentar a acessibilidade do BSG pré-tratado, contribuindo para sua utilização eficiente e agregando valor a esse coproduto da indústria cervejeira.

Brewer's spent grain (BSG) is a co-product that represents the majority of waste generated by the brewing industry, totaling around 85%. In order to maximize the use of this biomass and promote the circular economy, it is essential to address the challenges that permeate from its initial stabilization to the final use of this resource. Among these challenges, the need to improve the pre-treatment steps to enable the conversion of BSG into value-added products stands out. In this context, the general aim of this doctoral thesis is to evaluate the various processes involved, from stabilization to pre-treatments using alkaline hydrogen peroxide (AHP) and/or high-intensity ultrasound (US), aiming to improve protein extraction and increase the accessibility of pretreated BSG to facilitate its subsequent saccharification. Initially, the water sorption properties of BSG were investigated, with the aim of preparing and stabilizing the biomass for the following steps. Next, the effect of processing with different concentrations of AHP (1–8%) and BSG (2–8%), subjected to different processing times (0–12 h), on the chemical composition, morphology, crystallinity, functional group modifications, and rheological behavior of BSG suspensions throughout the processing was analyzed. Subsequently, the extraction of proteins from BSG was evaluated using ultrasound (1200 W) and alkaline hydrogen peroxide (3%), as well as their impact on extraction yield, structural properties (morphology by SEM; secondary structures by FTIR and size of crystals by XRD of the protein concentrate) and techno-functional (water and oil holding capacity, emulsion capacity and stability, foam capacity and stability, instrumental color). Regarding the water adsorption properties of BSG obtained from the brewing process based on barley malt (“Lager” – BSGL) and wheat (“Weiss” – BSGW), the increase in relative humidity and the reduction in temperature led to an increase in the equilibrium moisture of BSGs. The water-binding properties were slightly impaired by the higher protein contents observed in BSGW. The GAB model was effective in describing the adsorption isotherms, providing information about the monolayer moisture over a wide temperature range. Thermodynamic analyses showed that the adsorption processes were driven by enthalpy and did not occur spontaneously. An environment with relative humidity of 40% was identified as ideal for the storage of BSGs. With regard to alkaline processing with hydrogen peroxide (AHP), it was observed that increasing AHP concentration and processing time improved the removal of proteins, lignin, and extractives from BSG, resulting in morphological changes that indicate increased accessibility of the material. Furthermore, the BSG suspensions showed non-Newtonian behavior, with increased resistance to flow due to the increase in the concentration of AHP, BSG, and, mainly, processing time, which are related to the structural changes of the particles. In turn, the different strategies involving ultrasound and AHP demonstrated improvements in extraction yield and positively impacted the structural and techno-functional properties of protein concentrates. The use of these promising approaches proves to be an effective way to intensify protein extraction and increase the accessibility of pretreated BSG, which can facilitate its subsequent saccharification. In conclusion, the use of alkaline hydrogen peroxide (AHP) and/or high intensity ultrasound (US) presents itself as a promising approach to improve protein extraction and increase the accessibility of pretreated BSG, contributing to its utilization efficient and adding value to this co-product of the brewing industry.
Valorization of brewer's spent grain using ultrasound and hydrogen peroxide: a study aiming at its stabilization, processing and conversion into value-added products
Keywords: Estabilização; Biomassa lignocelulósica; Pré-tratamento; Extração de proteínas; Propriedades funcionais; Brewer's Spent Grain; Conservation; Storage; Proteins; Sugars; Biorefinery; Lignocellulosic biomass; Pre-treatment