DETERMINAÇÃO E QUANTIFICAÇÃO DE CARBOIDRATOS ESTRUTURAIS DO ENDOCARPO DO COCO ARIRI

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Analítica

Autores

Oliveira, C.E.L. (UFMA) ; Pires, T.P.R.S. (UFMA) ; Mendonça, C.J.S. (UFMA) ; Maciel, A.P. (UFMA)

Resumo

Neste trabalho, o endocarpo do coco ariri, após passar por processos de preparação, foi submetido à hidrólise com ácido sulfúrico 72 %. A identificação do produto hidrolisado foi realizada em HPLC-RID e a quantificação foi feita através das curvas analíticas. A celobiose, glicose, xilose e arabinose foram principais carboidratos estruturais (açúcares) encontrados, além do ácido acético. Os resultados de quantificação mostraram a xilose (0,5609 g L^-1), e a glicose (0,2655 g L^-1) como os principais açúcares. A xilose, principal componente para a obtenção de etanol de segunda geração, apresentou 0,162 g/g de biomassa, valor levemente superior ao encontrado no bagaço de cana-de-açúcar, indicando que a biomassa do coco ariri pode ser boa alternativa para fins energéticos.

Palavras chaves

Coco ariri; Biomassa; Syagrus

Introdução

A sociedade moderna demanda de milhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep) para satisfazer suas necessidades energéticas, seja para uso industrial, transporte ou doméstico. Em todo o mundo, quase 80 % de toda energia primária consumida advém de fontes não renováveis como gás natural, carvão mineral e petróleo (ANEEL, 2016). Além da ameaça de escassez, esses produtos são de preocupação mundial devido às grandes emissões de gases de efeito estufa. Assim, nas últimas décadas, as autoridades têm intensificado o incentivo pelo uso e descobertas de novas alternativas aos combustíveis fósseis. Nesse sentido, as biomassas têm se apresentado como uma boa fonte renovável, tendo um papel fundamental na matriz energética mundial, e especialmente na brasileira. As biomassas podem advir de matéria orgânica ou vegetal. No caso dos insumos vegetais, as principais fontes de biomassa transformadas no Brasil são o bagaço da cana-de-açúcar (resíduo da indústria sucroalcooleira) e a serragem de madeira, utilizada em larga escala na indústria de celulose e papel. A transformação de biomassas pode acontecer por processos biotecnológicos ou térmicos. Por exemplo, biorrefinarias utilizam biomassas lignocelulósicas como matéria-prima para a geração de etanol (bioetanol) de segunda geração (ZHAO et al., 2018). No outro caso, as biomassas se posicionam como solução energética através de processos de termoconversão tais como combustão, gasificação e pirólise (RENDEIRO et al., 2008). Na última década, as energias de biomassas contribuíram com cerca de 10 a 15 % da demanda mundial. Em países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil, o total fornecido variou de 1/5 a 1/3 (HAMELINCK et al., 2005; JUNGINGER et al., 2006; KHAN et al., 2009). Para que as biomassas possam ser empregadas como fonte de energia, no entanto, é crucial a determinação de suas propriedades físico-químicas. As condições climáticas, principalmente, podem alterar consideravelmente as características físicas e químicas de organismos vegetais, que afeta sobremaneira seu comportamento quanto combustível (GARSTANG et al., 2002). Assim, surge a necessidade de se obter dados confiáveis da composição química de biomassas uma vez que estas informações são fundamentais tanto para as biorrefinarias (ROLDÁN et al., 2017) como para processos de conversão térmica (SRIRAM e SWAMINATHAN, 2018). O objetivo central deste trabalho é determinar a composição química em termos de carboidratos do endocarpo do coco ariri (Syagrus) a fim de destiná-la para uma potencial aplicação energética.

Material e métodos

Os frutos maduros do coco ariri foram coletados no Campus Dom Delgado, da Universidade Federal do Maranhão, e imediatamente levados ao laboratório onde foi extraído o endocarpo, o qual foi manipulado conforme a Norma ASTM E1757-01 (2015). Os padrões e os reagentes utilizados neste trabalho foram adquiridos junto à: Sigma-Aldrich - D(+)-celobiose (98 %), D(+)-glucose (99,5 %), ácido acético (99 %); Êxodo Científica – D(+)-xilose (extra pura); Inlab – arabinose (extra pura); Quimex – ácido sulfúrico (95 %). Hidrólise ácida da biomassa Para a determinação dos carboidratos estruturais, foi utilizado a Norma NREL/TP-510-42618 (2012), com modificações apropriadas. Basicamente, o experimento consistiu em transportar para um frasco cerca de 300 ± 0,1 mg da amostra, livre de extrativos e previamente seca a 103 ± 2 °C (Norma TAPPI T- 204 cm-97, (2007)), e adicionar 3 mL de ácido sulfúrico (72 %), agitando até a amostra apresentar característica homogênea. O Conjunto foi colocado num banho-maria a 30 ± 1 °C por 60 minutos. Após esse tempo a amostra hidrolisada foi diluída com água deionizada até o ácido sulfúrico apresentar concentração final de 4 %. Esta solução, por sua vez, foi submetida a 1 hora de autoclave (~121 °C, 1 atm). Após resfriamento a temperatura ambiente, a amostra (licor) foi filtrada em papel filtro e cerca de 50 mL foi separado para análise em Cromatografia Líquida de Alta Eficiência com Detector de Índice de Refração (HPLC-RID). Cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC-RID) O licor obtido foi analisado em HPLC a fim de identificar os principais carboidratos estruturais do endocarpo do coco ariri. As análises foram realizadas em um Cromatógrafo a Líquido Modular com Detector de Índice de Refração (HPLC-RID-10ª, SHIMADZU), equipado com uma coluna Aminex (HPX-87H, 300 mm x 7,8 mm, BIO-RAD). A fase móvel foi uma solução de 0,005 M de ácido sulfúrico (modo isocratico), fluxo de 0,8 mL min-1 e temperatura do forno de 50 °C. A quantidade de amostra injetada de 20 µL. A identificação dos componentes da biomassa foi realizada através da comparação dos tempos de retenção do padrão e dos açucares presentes na amostra. A quantificação dos componentes foi realizada através da curva de calibração individual feita para cada padrão.

Resultado e discussão

A Figura 1 apresenta o resultado obtido da identificação dos componentes do endocarpo do coco ariri. Conforme pode ser visto na seção ampliada do cromatograma (insert da Figura 1), o processo de hidrólise com ácido sulfúrico produziu celobiose, glicose, xilose e arabinose como principais açúcares (carboidratos), além do ácido acético. Com base na intensidade relativa, a xilose apresentou-se como componente majoritário, seguido da glicose e do ácido acético. Os demais açúcares (celobiose e arabinose) teores relativos menores. Quantificação dos açúcares Por meio da curva analítica, foi possível quantificar os carboidratos estruturais do endocarpo do coco ariri. A faixa de concentração usada para a quantificação de cada componente foi feita da seguinte forma: celobiose de 0,01 – 0,08 g L^-1; glicose de 0,2 – 2,0 g L^-1; xilose de 0,125 – 2,0 g L^-1; arabinose de 0,03 – 0,24 g L^-1 e ácido acético de 0,02 – 0,2 g L^-1. Todas as curvas foram construídas com cinco dados de concentração de maneira apropriada para cada padrão. A Tabela 1 apresenta os dados de quantificação, sem correção, detectados em HPLC-RID. Por meio do coeficiente de determinação (r²) pode-se verificar que as curvas construídas obedeceram a relação linear. Utilizando as áreas obtidas na análise qualitativa (Figura 1) e a equação linear encontrada em cada curva, foi possível calcular os dados quantitativos das concentrações de cada componente da biomassa. De acordo com o observado na Tabela 1, o produto de hidrólise do endocarpo do coco ariri apresentou a xilose e a glicose em maiores quantidades, com concentração de 0,5609 g L^-1 e 0,2655 g L^-1, respectivamente. Enquanto a arabinose mostrou dados abaixo do limite de quantificação. A xilose e arabinose são os principais constituintes da hemicelulose e são de grande interesse para o setor de biorrefinarias, em especial para produção de bioetanol de segunda geração, uma vez que esses compostos podem ser fermentescíveis. Em termos de quantidade de açúcar por quantidade de biomassa, em base seca e livre de extrativos, a xilose mostrou 0,162 g/g de amostra, valor levemente superior ao encontrado no bagaço de cana-de-açúcar (RIBEIRO et al., 2017), principal insumo para geração de etanol de segunda geração. É importante ressaltar que não foram feitas correções nos dados concentração obtidos neste trabalho. Apesar disso, baseado no teor de xilose, é possível destacar a biomassa do coco ariri como uma fonte promissora de recurso energético. Além disso, a composição em termos de açúcares é fundamental para o cálculo do teor de celulose e hemicelulose da biomassa.

Condições: modo isocrático; coluna aminex (HPX- 87H, 300 mm x 7,8 mm, BIO-RAD); fase móvel ácido sulfúrico 0,005 M, fluxo 0,8 mL min/min; T=50 °C.


Condições: modo isocrático; coluna aminex (HPX- 87H, 300 mm x 7,8 mm, BIO-RAD); fase móvel ácido sulfúrico 0,005 M, fluxo 0,8 mL/min; T=50 °C.

Conclusões

A hidrólise ácida do endocarpo de coco ariri, nas condições empregadas neste trabalho, favoreceu a obtenção de maiores quantidades de xilose e glicose, com concentrações de 0,5609 g L-1 e 0,2655 g L-1, respectivamente. A xilose, componente de grande importância para o setor de etanol de segunda geração, teve um rendimento de 0,162 grama por grama de biomassa, que é um valor bastante interessante comparado ao bagaço de cana-de- açúcar, principal insumo das biorrefinarias, que apresenta cerca de 0,126 g/g de bagaço. Os resultados obtidos neste trabalho são ainda preliminares, porém promissores, e colocam a palmeira de ariri, em especial o endocarpo do coco, como possível fonte alternativa para fins energéticos.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Microbiologia (UFMA) pelo suporte técnico na parte de hidrólise e à FAPEMA pelo apoio financeiro.

Referências

ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. 2016. Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/>. Acesso em 06/07/2017.

ASTM E1757- 01. Standard Practice for Preparation of Biomass for Compositional Analysis. Technical report, 2015.

GARSTANG, J. et al. Identification and characterisation of factors affecting losses in the large-scale, non-ventilated bulkstorage of wood chips and development of best storage practices: FES B/W2/00716/RESP.DTI/Pub urn 02/1535., p.119. 2002

HAMELINCK, C. N.; SUURS, R. A. A.; FAAIJ, A. P. C. International bioenergy transport costs and energy balance. Biomass and Bioenergy, v. 29, n. 2, p. 114-134, 2005/08/01/ 2005. ISSN 0961-9534. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096195340500053X >.

JUNGINGER, M. et al. Technological learning in bioenergy systems. Energy Policy, v. 34, n. 18, p. 4024-4041, 2006/12/01/ 2006. ISSN 0301-4215. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421505002533 >.

KHAN, A. A. et al. Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potential problems and remedies. Fuel Processing Technology, v. 90, n. 1, p. 21-50, 2009/01/01/ 2009. ISSN 0378-3820. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382008001963 >.

NREL/TP-510-42618. Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass. Technical report, 2012.

RENDEIRO, G. et al. Combustão e gasificação de biomassa sólida: soluções energéticas para a amazônia. Brasília: Ministério de minas e energia, 2008. 194.

RIBEIRO, F. R. et al. Anaerobic digestion of hemicellulose hydrolysate produced after hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse in UASB reactor. Science of The Total Environment, v. 584-585, p. 1108-1113, 2017/04/15/ 2017. ISSN 0048-9697. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717301870 >.

ROLDÁN, I. U. M. et al. Chemical, structural, and ultrastructural analysis of waste from the carrageenan and sugar-bioethanol processes for future bioenergy generation. Biomass and Bioenergy, v. 107, p. 233-243, 2017/12/01/ 2017. ISSN 0961-9534. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953417303240 >.

SRIRAM, A.; SWAMINATHAN, G. Pyrolysis of Musa balbisiana flower petal using thermogravimetric studies. Bioresource Technology, v. 265, p. 236-246, 2018/10/01/ 2018. ISSN 0960-8524. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241830703X >.

ZHAO, X. et al. The fate of lignin during atmospheric acetic acid pretreatment of sugarcane bagasse and the impacts on cellulose enzymatic hydrolyzability for bioethanol production. Renewable Energy, v. 128, p. 200-209, 2018/12/01/ 2018. ISSN 0960-1481. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148118305925 >.