Produção de etanol a partir de torta de mamona (Ricinus communis L.) e avaliação da letalidade da torta hidrolisada para camundongos

erva_mamona[1] A pesquisa e o desenvolvimento no setor de combustíveis obtidos de fontes renováveis são responsáveis por uma crescente demanda por biomassas de origem vegetal.1 O uso de sementes de mamona (Ricinus communis L.) para extração de óleo e emprego na produção de biodiesel é responsável pela geração diária de toneladas de um resíduo sólido proveniente da prensagem das sementes, a torta de mamona.2 Esse resíduo possui alto teor de proteínas e é produzido na proporção de 1,2 t por tonelada de óleo extraído,3 o que corresponde a 55% do peso médio das sementes, valor que pode variar de acordo com o teor de óleo da semente e do processo industrial de extração do óleo. Segundo algumas projeções, espera-se uma produção de até 20000 t anuais de torta de mamona associada à indústria do biodiesel.4 Esse resíduo, embora rico em proteínas, não pode ser usado na alimentação animal e exige cuidados com a manipulação devido à toxicidade atribuída a peptídeos alergênicos presentes nas sementes.5 Por outro lado, a torta de mamona traz consigo potencial emprego na geração de bioetanol, por conta de seu alto teor de amido.6

Ethanol production from castor bean cake (Ricinus communis L.) and evaluation of the lethality of the cake for mice

Walber Carvalho MeloI; Daniele Barreto da Silva e Nei Pereira Jr.I, *; Lídia Maria Melo Santa AnnaII; Alexandre Soares dos SantosIII

IDepartamento de Engenharia Bioquímica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, CP 68542, 21949-900 Rio de Janeiro - RJ, Brasil
IIGerência de Biotecnologia e Tratamentos Ambientais, CENPES/PETROBRAS, Av. Jequitibá, 950 , Cidade Universitária, Ilha do Fundão, 21949-900 Rio de Janeiro - RJ, Brasil
IIIDepartamento de Ciências Básicas, Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Rua da Glória, 187, 39100-000 Diamantina - MG, Brasil


ABSTRACT

The castor bean cake is rich in starch (48 ± 0.53%) and bears a problem linked to the occurrence of a toxic protein (ricin). The chemical hydrolysis (ratio solid:liquid = 1:6; H2SO4= 0.1 mol L-1; 120 °C; 40 min) generated a medium with 27 g L-1 of reducing sugars (hydrolysis efficiency= 32%). The hydrolyzed product was fermented and produced 11 g L-1 of ethanol (volumetric productivity=1.38 g L-1 h-1 and ethanol yield on substrate consumed=0.45 g g-1). In vivo experiments (DL50) revealed a reduction of roughly 240 times in the CBC toxicity (2.11 µg g-1).

Keywords: castor bean cake; acid hydrolysis; ethanol.


INTRODUÇÃO

A cultura da mamona sempre foi considerada uma atividade de pequenos produtores, especialmente na região de clima semi-árido do Brasil. No entanto, algumas ações do governo brasileiro vêm mudando esse cenário. Através de estímulos para a cultura da mamona no Nordeste do Brasil, o governo pretende criar condições para o desenvolvimento da região. Nesta parte do Brasil, há quase 4 milhões de ha com características edafo-climáticas apropriadas, onde se alcançaria o rendimento de até 1,5 t de sementes por hectare, enquanto a média anual é de apenas 750 kg.4

O uso da torta de mamona como matéria-prima para produção de bioetanol atende a uma tendência de integração dos processos de obtenção de etanol e biodiesel, pois de acordo com estudos em andamento no CENPES/Petrobras sobre o processo de transeste-rificação do óleo de mamona em biodiesel, se forem gerados 160 L de etanol para cada 1000 kg de torta de mamona produzida com a prensagem das sementes, o processo de conversão química do óleo extraído em ésteres etílicos tornar-se-ia auto-suficiente em relação à demanda de etanol. Ademais, o uso da torta ainda observa as Diretrizes de Política de Agroenergia 2006-2011 brasileiras (Ministérios da Agricultura, das Minas e Energia e da Ciência e Tecnologia; versão 0.01 de 6/10/2006), que demandam por aproveitamento e valorização dos resíduos da indústria do biodiesel, elevando à condição de co-produto o resíduo da extração do óleo das sementes de mamona.

Com vistas ao aproveitamento da torta de mamona como fonte de açúcares fermentáveis para produção de bioetanol e à formulação de tratamento adequado para a destoxificação deste resíduo para uso como matéria-prima na indústria de ração, é apresentado neste trabalho resultado de fermentabilidade do mosto obtido por sacarificação química do amido da torta de mamona e análises de toxicidade (expressa em DL50) do resíduo sólido gerado sob condições pré-estabelecidas.7

PARTE EXPERIMENTAL

Torta de mamona

Esta biomassa foi fornecida pela Petróleo Brasileiro S.A. (Petrobras). O resíduo sólido triturado, obtido de processos de produção de biodiesel, passou por secagem durante 24 h sob temperatura de 60 °C em estufa.

Análise do teor de amido da torta de mamona

O percentual de amido presente na biomassa foi determinado, em base seca, de acordo com a metodologia enzimático-colorimetríca para determinação de amido em grãos que contêm amilose e amilopectina.8,9 Amostra com 1,0 g de massa foram submetidas, em triplicata à hidrólise enzimática e o teor de amido foi calculado com base na quantificação da glicose liberada.

Obtenção do hidrolisado ácido

A hidrólise química em triplicata foi realizada em frascos cônicos de 250 mL contendo 10,0 g de torta de mamona seca e solução de H2SO4 0,25 mol L-1 (relação sólido-líquido 1:6) . O processo hidrolítico transcorreu durante 40 min a 121±2 °C em autoclave de 4000 W (Fabbe-Primar®, Brasil). Essas condições experimentais são decorrentes de estudos de hidrólise da torta com uso de metodologia multivariada, onde foram avaliados os efeitos de tempo, temperatura, razão sólido/líquido e concentração de ácido.7

Análise de toxicidade (DL50 %) da torta de mamona e do resíduo sólido após a hidrólise

As análises da toxicidade por determinação da DL50, tanto para a torta in natura quanto para o resíduo sólido derivado do processo hidrolítico, foram realizadas em camundongos Suíços brancos SW-55. Os resíduos sólidos avaliados foram triturados em gral de vidro. Massas correspondentes a 5,0000 ± 0,0050 g de cada amostra foram transferidas quantitativamente para frascos de erlenmeyer com auxílio de 80 mL de solução salina estéril pH 6,5-7,2. Após processo de dissolução em ultra-som, por 30 min, as suspensões foram mantidas em repouso, por uma noite, sob refrigeração a 4 °C para decantação dos sólidos. O sobrenadante de cada frasco foi filtrado individualmente através de papel de filtro Whatman nº 1 e os filtrados, recolhidos em frascos erlenmeyers com tampa. Aos sólidos decantados foram adicionados mais 20 mL de solução salina, centrifugados 2 vezes em centrífuga analítica por 15 min a 1300 rpm e recolhidos os sobrenadantes obtidos, após filtração, em seus respectivos frascos. O pH dos filtrados, quando necessário, foi corrigido para a faixa de 6,5 a 7,2. As amostras filtradas foram diluídas (10-1, 10-2, 10-3 e 10-4), novamente filtradas em filtro Millipore RC 25 0,45 µ e inoculadas em volumes de 0,2 mL por via intra-peritoneal em lotes de 10 animais. As mortes dos animais foram registradas nos períodos de 48 e 96 h. O número total de animais utilizados no foi de 210 camundongos com peso médio de 20 g, dos quais 10 foram utilizados para controle. Após o período de observação, a DL50 foi calculada conforme o Método de Reed e Muench.10

Processo fermentativo

Como mosto, foi usada a fração solúvel obtida após a etapa hidrolítica. O mosto teve o pH corrigido para 5,0 com uso de hidróxido de cálcio hidratado. As fermentações foram realizadas em biorreator instrumentado modelo Biostatâ (B.Braun Biotech International) com volume nominal de 2,0 L. O sistema não aerado foi mantido sob agitação de 100 rpm durante 8 h a 33 °C. Como agente fermentador foi utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae a uma concentração de 10 g L-1.

Métodos analíticos

Para realização das análises do processo fermentativo, foram amostradas alíquotas de 1,0 mL em intervalos de 1 h. As amostras foram centrifugadas a 10.000 rpm durante 5 min. O sobrenadante seguiu para a quantificação de açúcares e etanol. A biomassa centrifugada foi ressuspensa ao volume original com água destilada e quantificada através da leitura de absorbância em espectro-fotômetro (Spectrumlab modelo 22PC) a 570 nm com posterior correlação com curva de calibração que relaciona biomassa, em g L-1, com absorvância (y= 2,03x; R2= 0,9954).

O sobrenadante, após filtração em membrana de acetato de celulose (MillexTM 0.22 µ, Millipore) e diluição de 10 vezes com água destilada, foi analisado utilizando o equipamento de cromatografia a líquido de alta eficiência (CLAE) da Waters® Corporation, contendo o sistema de bombeamento modelo 510 (Waters), injetor Rheodyne, detector de índice de refração modelo 2487 (Waters) e integrador HP 3390A (Hewlett Packard). Foi utilizada a coluna de troca iônica Aminex® HPX-87P (BioRad®). Como fase móvel foi utilizada água deionizada a uma vazão de 0,6 mL min-1 sob pressão de 500 psi. As amostras foram injetadas através de loop de 5 µL. As temperaturas do forno e do detector foram de 80 e 40 °C, respectivamente. Açúcares e etanol foram quantificados com base em padrões externos.

Paralelamente, os açúcares redutores totais foram analisados pelo método do ácido dinitro-salicílico (DNSA).11 As leituras foram realizadas em espectrofotômetro com comprimento de onda de 540 nm.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A análise do teor de amido da torta de mamona foi fundamental para o estabelecimento de todas as correlações mássicas e determinação dos rendimentos de hidrólise e de fermentação. A torta de mamona apresentou um teor de amido igual a 48 ± 0,53% (m/m). Isso significa, considerando um processo hidrolítico com eficiência de 100%, que a hidrólise de 100 g de torta pode gerar 53 g de glicose. Esta quantidade de glicose, após fermentação, pode gerar até 25,3 g de etanol por 100 g de torta de mamona.

Na condição hidrolítica trabalhada, empregando ácido sulfúrico a 0,25 mol L-1, temperatura de 120 °C, tempo de hidrólise de 40 min e razão sólido: líquido de 1:6, foi obtido um hidrolisado contendo 28,5 ± 1,3 g L-1 de açúcares redutores totais. Isso significa que a eficiência do processo hidrolítico foi de 32,2% ou que foram produzidos 17,1 g de açúcares redutores por 100 g de torta. Esse valor é compatível com a concentração de açúcares redutores obtida em estudos recentes de hidrólise ácida de biomassas residuais (20,9 a 40,3 g L-1 de açúcares) e guarda relação com as variáveis concentração de ácido sulfúrico, tempo e temperatura de hidrólise.12

A análise cromatográfica do hidrolisado revelou a existência de outros açúcares além da glicose e a presença de hidroximetil-furfural (Tabela 1). Todos os açúcares identificados cromatograficamente no hidrolisado são passíveis de fermentação por S. cerevisiae e, portanto, conversíveis a etanol.13 A presença de 0,51 g L-1 de hidroximetil-furfural, um reconhecido agente inibidor do processo fermentativo, não interferiu na fermentação conduzida com Saccharomyces cerevisiae, tendo sido observada a completa conversão dos açúcares redutores após 8 h (Figura 1). A produtividade volumétrica (QP) do processo fermentativo foi igual a 1,38 g L-1 h-1, sendo atingida uma concentração de 11 g L-1 ao final do processo, o equivalente a um rendimento (YP/S) de 0,44 g g-1. O vinhoto obtido após a destilação do etanol presente no mosto fermentado, de acordo com testes de toxicidade expresso em IC50, não se mostrou tóxico.7 A partir desses resultados e da eficiência de 32,2% observada na hidrólise ácida, podemos projetar um rendimento de cerca de 102 L de etanol por tonelada de torta de mamona processada, o que corresponde a 64% do etanol demandado na etapa de transesterificação do óleo de mamona para obtenção dos ésteres etílicos.

A avaliação da dose letal em camundongos (DL50) para soluções de peptídeos alergênicos extraídos da torta de mamona e do resíduo sólido, obtido após a hidrólise, mostrou que o tratamento com H2SO4, na temperatura e tempo estabelecidos para a hidrólise do amido, foi responsável pela redução, em pelo menos 237 vezes, da letalidade da torta de mamona in natura (Tabelas 2 e 3), não resultando em morte de camundongos em período de até 96 h. A destoxificação da torta de mamona submetida à hidrólise por H2SO4 a alta temperatura pode ser atribuída à hidrólise e/ou desnaturação térmica dos peptídeos tóxicos da mamona, mormente a ricina, a ricinina e CB-1.14,15

Podemos, assim, considerar que o subproduto sólido da hidrólise ácida da torta de mamona, majoritariamente constituído por fibras e proteínas,16 apresenta potencial emprego na composição de rações.17

CONCLUSÕES

A torta de mamona, além de mostrar-se apta como matéria-prima para produção de etanol, sofreu um efeito colateral através do processamento hidrolítico, sob condições ácidas, que a tornou isenta de letalidade quando testada em camundongos. Esse resultado indica a possibilidade do uso do resíduo sólido obtido pós-tratamento hidrolítico como matéria-prima para o fabrico de rações. Essas informações permitem propor um modelo industrial onde estejam integrados processos de extração de óleo de mamona, esterificação etílica com o álcool produzido a partir do resíduo da extração do óleo de mamona e a destinação do resíduo sólido do processo de sacarificação química da torta de mamona para o fabrico de ração.

AGRADECIMENTOS

Ao apoio da Gerência de Biotecnologia e Tratamentos Ambientais do CENPES/Petrobras e ao Programa de Pós-graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos da Escola de Química da UFRJ por todo auxílio.

REFERÊNCIAS

1. Demirbas, A.; Prog. Energ. Comb. Sci. 2007, 33, 1.         [ Links ]

2. Leiras, A.; Dissertação de Mestrado, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brasil, 2006.         [ Links ]

3. Azevedo, D. M. P.; Lima, E. F.; O Agronegócio da Mamona no Brasil, 1ª ed., Embrapa: Paraíba. 2001.         [ Links ]

4. Freitas, S. M.; Fredo, C. E.; Inf. Econ. 2005, 35, 1.         [ Links ]

5. http://cnpa.embrapa.br/plataformamamona, acessada em Fevereiro 2007.         [ Links ]

6. Silva, J. G.; Machado, O. L.; Izumi, C.; Padovan, J. C.; Chait, B. T.; Mirza, U. A.; Greene, L. J.; Arch. Biochem. Biophys. 1996, 336, 10.         [ Links ]

7. Melo, W. C.; Pereira Jr., N.; Santos, A. S.; Santa Anna, L. M. M.; J. Braz. Chem. Soc., no prelo.         [ Links ]

8. Gupta, M. N.; Roy, I.; Enzyme Microb. Technol. 2004, 34, 26.         [ Links ]

9. Quigley, M. E.; Hudson, G. F.; Englyst, H. N.; Food Chem. 1999, 65, 381.         [ Links ]

10. Reed, L. J.; Muench, H. A.; Am. J. Hyg. 1938, 27, 494.         [ Links ]

11. Miller, L. G.; Anal. Chem. 1959, 31, 426.         [ Links ]

12. Del Campo. I.; Alegria, I.; Zazpe, M.; Echeverria, M.; Echeverria, i.; Ind. Crops Prod. 2006, 24, 214.         [ Links ]

13. Lodder, J. Em The Yeasts a Taxonomic study; Lodder, J., ed.; North-Holland Company: London, 1970, cap. 4.         [ Links ]

14. Moshkin, V. A.: Castor, 1st ed., Amerind: New Delhi, 1986.         [ Links ]

15. Gardner Jr., H. K.; D'aquin, E. L.; Koultun, S. P.; McCourtney, E. J.; Vix, H. L. E.; Gastrock, E. A.; J. Am. Chem. Soc. 1960, 37, 142.         [ Links ]

16. Souza, R. M.; Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Brasil, 1979.         [ Links ]

17. http://sistemadeproducao.cnpa.embrapa.br, acessada em Janeiro 2007.         [ Links ]

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