Efectos de pretratamientos deslignificantes sobre la cristalinidad, hidrólisis enzimática y ultraestructura de residuos de la cosecha de la caña de azúcar
Los materiales lignocelulósicos representan alrededor del 71% de la biomasa total del planeta. Dada su abundancia se están considerando como materia prima potencial para la producción de bioetanol cuyo uso permite reducir el consumo de combustibles fósiles. Una alternativa es el uso de hojas y cogol...
- Autores:
-
Salcedo, Jairo
Rios, J M
Ferrer, Alexis
López, J. E
Flórez Pardo, Luz Marina
Aiello, C
- Tipo de recurso:
- Article of journal
- Fecha de publicación:
- 2013
- Institución:
- Universidad Autónoma de Occidente
- Repositorio:
- RED: Repositorio Educativo Digital UAO
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- oai:red.uao.edu.co:10614/11555
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/10614/11555
- Palabra clave:
- Celulosa
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Hojas y cogollos de caña de azúcar
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Pretratamiento organosolvente
Hidrólisis enzimática
Sugar cane leaves and buds
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Los materiales lignocelulósicos representan alrededor del 71% de la biomasa total del planeta. Dada su abundancia se están considerando como materia prima potencial para la producción de bioetanol cuyo uso permite reducir el consumo de combustibles fósiles. Una alternativa es el uso de hojas y cogollos que son residuos del cultivo de la caña de azúcar, los cuales pueden ser convertidos en etanol mediante pretratamiento, hidrólisis y fermentación. En esta investigación se evaluó el efecto de dos pretratamientos de desliginificación, enzimático y órgano solvente en cuatro sustratos (S1: no tratado, S2:tratamiento enzimático, S3: órgano solvente y S4: órgano solvente seguido de blanqueo alcalino) sobre la cristalinidad y producción de azúcares por hidrólisis enzimática medidos como índice de cristalinidad (CrI), número relativo de intensidad(Ir), índice global de sacarificación (IGS) y cambios ultra estructurales, mediante las técnicas de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido (MEB). Los resultados mostraron que los sustratos con menores contenidos de lignina y menores números Kappa, presentan los mayores valores de CrI e IGS, evidenciando que los cambios en la estructura cristalina de la celulosa así como la deslignificación favorecen la hidrólisis enzimática. Las micrografías MEB de los sustratos S2 y S3 muestran ligeras modificaciones superficiales con respecto a S1, mientras que en el sustrato S4 se aprecia destrucción de la pared celular y una grandes fibrilación, típico de una gran deslignificación, validada con los espectros FTIR |
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Salcedo, J.G; Ríos, J.M; Ferrer, A ; López, J. E; Pardo, L. M; Aiello, C. (2013) Efectos de pretratamientos deslignificantes sobre la cristalinidad, hidrólisis enzimática y ultraestructura de residuos de la cosecha de la caña de azúcar. Acta Microscópica. 22(1), 142 - 151. http://hdl.handle.net/10614/11555 |
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[1] CENICAÑA (2007) “Indicadores de productividad de la industria azucarera colombiana entre enero y agosto de 2006 – 2007” Informe Anual, Florida, Valle del Cauca. [2] Ruíz R., Ruiz G., Salgado J., Beltrán M. (2005) “Relación entre la temperatura de la masa fermentativa, temperatura ambiental y el contenido de proteína cruda durante la elaboración de Saccharina rústica” I Congreso Internacional de Producción Animal. La Habana, p.p. 272-279. [3] Serna C. L., Rodríguez A. (2007) “Producción económica de ácido láctico utilizando residuos de cosecha y jugos de caña de azúcar (Sacharum officinarum L.)” Agricultura Técnica 67(1):29-38. [4] Simmons B.A. Loque D., Blanch, H. W. (2008) “Next-generation biomass feedstocks for biofuel production” Genome Biology 9(12):242. [5] Ragauskas A.J. (2006) “The path forward for biofuels and biomaterials” Science 311(5760):484-489. [6] Banerjee S., Sen R., Pandey R.A., Chakrabarti T., Satpute D., Giri B.S., Mudliar S. (2009) “Evaluation of wet air oxidation as a pretreatment strategy for bioethanol production from rice hulk and process optimization” Biomass and Bioenergy 33:1680-1686. [7] Kumar, R. Singh, S., Singh, O.V. (2008) “Bioconversion of lignocellulosic biomass: biochemical and molecular perspectives” Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 35(5):377- 391. [8] Wen, F., Nair, N.U., Zhao H. (2009) “Protein engineering in designing tailored enzymes and microorganisms for biofuels production” Current Opinion in Biotechnology 20(4):412-9. [9] International Energy Agency (2010) “Sustainable Production of Second-Generation Biofuels” Paris. [10] Aro N., Pakula T., Penttila M. (2005) “Transcriptional regulation of plant cell wall degradation by filamentous fungi” FEMS Microbiology Reviews 29: 719–739. [11] Mosier N. (2004) “Features of promising Technologies for pretreatment of biomass” Bioresource Technology 96(6):673-86. [12] Atalla R.H., Vanderhart D.L. (1984) “Native cellulose: a composite of two distinct crystalline forms” Science 223:283-285. [13] Van Soest P. (1983) “Use of detergents in the Analysis of fibrous feeds. I. Preparation of fiber residues of low nitrogen content” Journal of the AOAC 46:829 – 835. [14] TAPPI. (1993) “Kappa number of Pulp” Technical Association of the Pulp and Paper Industry, México (TAPPI T 236 cm-85). [15] Bourbonnais R., Paice M.G. (1990). “Oxidation of non-phenolic substrates: An expanded role of laccase in lignin biodegradation” FEBS Letters 267(1):99-102. [16] Silva R., Gonzáles A., Villar J. (2002) “Delignificación enzimática de pasta al sulfato de E. globulus empleando lacasas fúngicas” Congreso Iberoamericano de Investigación en Celulosa y Papel, CIADICYP. [17] Jong-Rok J., Murugesan K., Kim Y., Kim E., Chang Y. (2008) “Synergistic effect of laccase mediators on penta chloro phenol removal by Ganoderma lucidum laccase” Appl Microbiol Biotechnol 81:783–790. [18] Salcedo J., López J.E., Pardo L.M. (2011) “Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (Hojas y cogollos) de cosecha de caña de azúcar” Dyna 168:182-190. [19] Miller G. (1959) “Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugars” Analytical Chemistry 31:426- 426. [20] Ghose T.K. (1987) “Measurement of cellulase activities” Pure and Applied Chemistry 59: 257268. [21] B.G. Ranby (1952) “The mercerization of cellulose” Acta Chemica Scandinavica 6:116-127. [22] Zhang J., Dongli L., Zhang X., Yuguan S. (1993) “Solvent effect on carboxymethylation of cellulose” Journal of Applied Polymer Science 49:741-746. [23] Gurgel L.V.A., Marabezi K., Ramos L.A., Da Silva Curvelo A. A. (2012) “Characterization of depolymerized residues from extremely low acid hydrolysis (ELA) of sugarcane bagasse cellulose: Effects of degree of polymerization, crystallinity and crystallite size on thermal decomposition” Industrial Crops and Products 36:560–571. [24] Colom X., Carrillo F., Nogues F., Garriga P. (2003) “Structural analysis of photo degraded wood by means of FTIR spectroscopy” Polymer Degradation and Stability 80: 543–549. [25] Carballo-Abreu L.R., Orea U. Cordero E. (2004) “Composición química de tres maderas en la provincia de Pinar del Rio, Cuba a tres alturas del fuste comercial. Parte 1 Corymbia Citriodora” Chapingo 10(001):57-62. [26] Mansikkamaki P., Lahtinen M., Rissanen K. (2007) “The conversion from cellulose I to cellulose II in NaOH mercerization performed in alcohol–water systems: An X-ray powder diffraction study” Carbohydrate Polymers 68: 35–43. [27] Galbe M., Zacchi G. (2002) “A review of the production of ethanol from softwood” Appl. Microbial Biotechnol 59:618- 628. |
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En esta investigación se evaluó el efecto de dos pretratamientos de desliginificación, enzimático y órgano solvente en cuatro sustratos (S1: no tratado, S2:tratamiento enzimático, S3: órgano solvente y S4: órgano solvente seguido de blanqueo alcalino) sobre la cristalinidad y producción de azúcares por hidrólisis enzimática medidos como índice de cristalinidad (CrI), número relativo de intensidad(Ir), índice global de sacarificación (IGS) y cambios ultra estructurales, mediante las técnicas de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido (MEB). Los resultados mostraron que los sustratos con menores contenidos de lignina y menores números Kappa, presentan los mayores valores de CrI e IGS, evidenciando que los cambios en la estructura cristalina de la celulosa así como la deslignificación favorecen la hidrólisis enzimática. Las micrografías MEB de los sustratos S2 y S3 muestran ligeras modificaciones superficiales con respecto a S1, mientras que en el sustrato S4 se aprecia destrucción de la pared celular y una grandes fibrilación, típico de una gran deslignificación, validada con los espectros FTIRLignocellulosic materials account for about 71% of the total biomass in the planet. Given their abundance, they are beingconsidered as a potential feedstock for bioethanol production which can reduce the use of fossil fuel consumption. Analternative is the use of leaves and buds which are crop residues from sugar cane, and can be converted into ethanol bypretreatment, hydrolysis and fermentation. In this study, we evaluated the effect of two delignification pretreatments,enzymatic and organosolv of four substrates (S1: untreated, S2: enzymatic treatment, S3: organosolv and S4: organosolvfollowed by alkaline bleaching) on the crystallinity and sugars production by enzymatic hydrolysis measured as crystallinityindex (CrI), relative intensity number (Ir), global hydrolysis rate (IGS) and ultrastructural changes, by means of Fouriertransform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM). The results showedthat substrates with the lowest residual lignin content and Kappa number, have the highest CrI and IGS values, showing thatchanges in the crystalline structure of cellulose as well as delignification enhance enzymatic hydrolysis. SEM micrographsof substrates S2 and S3 show slight surface modifications with respect to S1, while destruction of the substrate cell wallsand great defibrillation, typical of a large delignification, validated by the FTIR spectra, are observed in S4application/pdf10 páginasspaActa Microscopica. Volumen 22, Número 1 (enero 2013); páginas 142 - 151151114222Salcedo, J.G; Ríos, J.M; Ferrer, A ; López, J. E; Pardo, L. M; Aiello, C. (2013) Efectos de pretratamientos deslignificantes sobre la cristalinidad, hidrólisis enzimática y ultraestructura de residuos de la cosecha de la caña de azúcar. Acta Microscópica. 22(1), 142 - 151. http://hdl.handle.net/10614/11555Acta Microscopica[1] CENICAÑA (2007) “Indicadores de productividad de la industria azucarera colombiana entre enero y agosto de 2006 – 2007” Informe Anual, Florida, Valle del Cauca.[2] Ruíz R., Ruiz G., Salgado J., Beltrán M. 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(2008) “Bioconversion of lignocellulosic biomass: biochemical and molecular perspectives” Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 35(5):377- 391.[8] Wen, F., Nair, N.U., Zhao H. (2009) “Protein engineering in designing tailored enzymes and microorganisms for biofuels production” Current Opinion in Biotechnology 20(4):412-9.[9] International Energy Agency (2010) “Sustainable Production of Second-Generation Biofuels” Paris.[10] Aro N., Pakula T., Penttila M. (2005) “Transcriptional regulation of plant cell wall degradation by filamentous fungi” FEMS Microbiology Reviews 29: 719–739.[11] Mosier N. (2004) “Features of promising Technologies for pretreatment of biomass” Bioresource Technology 96(6):673-86.[12] Atalla R.H., Vanderhart D.L. (1984) “Native cellulose: a composite of two distinct crystalline forms” Science 223:283-285.[13] Van Soest P. (1983) “Use of detergents in the Analysis of fibrous feeds. I. 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