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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Application of chemical and biological approaches for lignin valorization = Aplicação de abordagens químicas e biológicas para valorização da lignina
Title Alternative: Aplicação de abordagens químicas e biológicas para valorização da lignina
Author: Brenelli, Lívia Beatriz, 1987-
Advisor: Squina, Fabio Marcio
Abstract: Resumo: As atividades voltadas para a produção comercial de etanol a partir de materiais lignocelulósicos criaram a oportunidade de desenvolver novas tecnologias utilizando correntes de processos com alto conteúdo de lignina. Encontrar aplicações para a lignina que possam agregar maior valor, em comparação com a queima para produção de energia, torna-se imprescindível para viabilizar estes processos no contexto de biorefinarias. A lignina é um polímero aromático com características singulares. Devido à sua estrutura molecular heterogênea, a lignina ainda é um polímero inexplorado em tecnologias de bioconversão. As estratégias emergentes para as transformações de ligninas são focadas em catálises inorgânicas, orgânicas ou na combinação de ambas. Sob esta perspectiva, este trabalho buscou desenvolver estratégias químicas e biológicas para valorizar correntes de lignina geradas no processamento do bagaço de cana-de-açúcar. Neste contexto, como estratégia química, fragmentos de lignina derivadas de tratamento alcalino de bagaço de cana-de-açúcar, depois de processo de explosão a vapor, foram submetidas a um processo de acidificação. As frações solúveis produzidas em diferentes valores de pH foram caracterizadas quimicamente e a capacidade antioxidante in vitro contra espécies reativas de oxigênio e nitrogênio foram avaliadas. Em comparação com as outras frações obtidas neste trabalho, a fração solúvel obtida em pH 2 apresentou as melhores capacidades de eliminação contra todas as espécies de radicais testadas (10,2 ± 0,7 mmol Trolox equivalente g-1 para ROO?, IC30 = 14,9 ?g mL-1 para H2O2 e IC50 = 2,3 ?g mL-1 para ONOO-), bem como apresentou a menor polidispersidade (1,2). Dados biofísicos mostraram que as moléculas presentes nas frações solúveis obtidas em pH 4 e 2 consistiam estruturalmente em pequenos discos com raio e espessura média de 0,31 nm e polifenóis de baixo peso molecular (~ 400 Da), enquanto que frações solúveis obtidas em pH elevados predominavam nanopartículas de lignina (discos com raio maiores que 1,1 nm e espessura em torno de 0,7 nm) e agregados com dimensão fractal em torno de 2,8 nm. Em todas as frações solúveis foram identificados compostos fenólicos e não fenólicos conhecidos como eficientes antioxidantes na literatura. Estes resultados demostraram que o tratamento de acidificação é uma estratégia simples e promissora para valorizar correntes heterogêneas de ligninas provenientes do processamento do bagaço, obtendo-se preparações com composições com reduzida polidispersidade e alta capacidade antioxidante. Neste trabalho de doutorado também foram avaliados processos enzimáticos para valorização da lignina. Foi explorado o potencial de duas lacases fúngicas juntamente com um mediador para isolar ligninas de baixo peso molecular a partir da biomassa lignocelulósica. As ligninas isoladas foram utilizadas como doadores de elétrons para a ativação de monooxigenases de polissacarídeos líticas (LPMOs). Uma correlação direta entre a lignina de baixo peso molecular obtida com o sistema mediador-lacase e o aumento na atividade de um coquetel celulolítico comercial contendo LPMOs foi encontrada quando a celulose pura foi hidrolisada. Nas condições testadas no trabalho, a co-incubação das lacases com com o coquetel contendo LPMOs resultou em uma competição pelo substrato oxigênio, inibindo as LPMOs. O tratamento com lacases podem ter causado outras modificações na presença de celulose, tornando o material mais recalcitrante para a sacarificação enzimática. Finalmente, visando a descoberta e aplicação de novos biocatalizadores envolvidos na desconstrução e valorização de material lignocelulósico, o basidiomiceto derivado do mar Peniophora sp. CBMAI 1063 cultivado em condições salinas teve seu genoma sequenciado, os genes anotados e o conteúdo proteico do secretoma analisado. Os estudos mostraram que o fungo possui um espectro enzimático ligninolítico completo e versátil, produzindo especialmente enzimas envolvidas na degradação da lignina. A principal lacase secretada pelo fungo mostrou potencial em tecnologias de bioconversão, promovendo modificação, despolimerização e solubilização de ligninas do bagaço

Abstract: The development of commercial production of ethanol from lignocellulosic materials has created the opportunity to increase the transformation of lignin streams into high added-value applications. Finding applications for lignin valorization instead of combustion for energy production is essential to make biorefineries an element of sustainable development. Lignin is a complex aromatic polymer with unique characteristics. However, due to its molecular structure, lignin is an untapped resource in bioconversion technologies. Emerging strategies for lignin transformations focus on inorganic or organic catalysis or a combination of both. This thesis focuses on chemical and biological strategies to add value to lignin from sugarcane bagasse. Lignin obtained from alkaline treatment of steam-exploded sugarcane bagasse was submitted to an acidification process. The soluble fractions produced at different pH were comprehensively characterized, and in vitro antioxidant capacity against reactive oxygen and nitrogen species was evaluated. The soluble fraction obtained at pH 2 exhibited the highest scavenging capacities against all tested species (10.2 ± 0.7 mmol Trolox equivalent g?1 for ROO?, IC30 = 14.9 ?g mL?1 for H2O2 and IC50 = 2.3 ?g mL?1 for ONOO?) and the lowest polydispersity value (1.2). Biophysical data showed that the soluble fractions obtained at pH 4 and pH 2 consisted of small nanometer-sized discs with average radius and thickness of 0.31 nm made from low molecular weight polyphenolics (~400 Da). In the soluble fractions obtained at high pH larger lignin nanoparticles (average disk radius higher than 1.1 nm and disk thickness around 0.7 nm) and larger aggregates with fractal dimension of 2.8 nm were found. Phenolic and non-phenolic compounds, well-known as efficient antioxidants, were identified in all soluble fractions. The results provided, further demonstrates that acidification treatment is a promising strategy to upgrade heterogeneous lignin-enriched stream from sugarcane bagasse, such as preparations with homogeneous compositions and high antioxidant capacity. Furthermore, the potential of two fungal laccases together with a mediator to isolate low molecular weight lignin from lignocellulosic biomass was explored. These lignins were used as electron donors for activation of lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs). For cellulose hydrolysis a direct correlation between the low molecular weight lignin obtained with laccases and the activity of a cellulolytic cocktail containing LPMOs was found. Under the conditions tested, the co-incubation of laccases with LPMOs showed a substrate competition towards LPMOs inhibition by oxygen. Also laccase treatment may cause other modifications in presence of cellulose, rendering the material more recalcitrant for enzymatic saccharification. Finally, regarding the discovery of new enzymes for lignin deconstruction, the genome sequencing, annotation and secretome analysis of the marine-derived basidiomycete Peniophora sp. CBMAI 1063 grown under saline optimal conditions were performed. Omics studies showed that this fungus possesses a complete and versatile enzymatic spectrum, especially enzymes involved in lignin degradation. In addition, the major secreted laccase exhibited potential to lignocellulose bioconversion new technologies, promoting lignin modification, depolymerization and solubilization
Subject: Lignina
Biotransformação
Lacase
Fungos
Biotecnologia
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: BRENELLI, Lívia Beatriz. Application of chemical and biological approaches for lignin valorization = Aplicação de abordagens químicas e biológicas para valorização da lignina. 2017. 1 recurso online (157 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/331993>. Acesso em: 3 set. 2018.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IB - Tese e Dissertação

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