Production of cassava peel-based xylooligosaccharides using endo-1,4-ß-xylanase from Trichoderma longibrachiatum: the effect of alkaline pretreatment

Abstract

A casca do resíduo lignocelulósico da mandioca é uma fonte inexplorada de compostos bioativos, como os xilooligossacarídeos à base de hemicelulose (XOS), que apresentam propriedades prebióticas. Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi produzir XOS a partir de cascas de mandioca que foram pré-tratadas com hidróxido de sódio (extração de xilanos e remoção de lignina) seguido de hidrólise enzimática (endo-1-4-ß-xilanase). As cascas de mandioca foram pré-tratadas sequencialmente: remoção de amido, hidrólise alcalina, e hidrólise enzimática. A redução aquosa-mecânica e peneiração por 15 ciclos removeu ?16% de amido (método iodométrico). Os pré-tratamentos alcalinos foram realizados com 2, 4, e 6% (m/v) de NaOH, 1:100/sólido:líquido a 121 °C e 1,1 bar durante 30 e 60 minutos. A cinética enzimática foi avaliada com concentração enzimática a 0,5, 1,5, e 3,0% (v/v). O melhor pré-tratamento alcalino para deslignificação da biomassa promoveu em torno de 34,20% de remoção de lignina (2% (m/v) NaOH durante 30 min). O maior rendimento de XOS foi de 396,5 mg XOS/g xilana após 48 h e 3,0% de concentração enzimática. Quanto ao balanço de massa, de 300 g de cascas de mandioca (um resíduo agroindustrial), é possível obter até 3,27% de XOS. Portanto, o fracionamento da hemicelulose das cascas de mandioca foi tecnicamente viável a partir dos conceitos de biorrefinaria e bioeconomia, sendo uma das primeiras pesquisas a abordar a extração da xilana da casca de mandioca para obter XOS por via enzimática com um rendimento altamente promissor.

Abstract: The lignocellulosic residue cassava peel is an unexplored source of bioactive compounds, such as hemicellulose-based xylooligosaccharides (XOS) that present prebiotic properties. In this sense, the aim of this work was to produce XOS from cassava peels that were pretreated with sodium hydroxide (xylan extraction and lignin removal) followed by enzymatic hydrolysis (endo-1-4-ß-xylanase). The cassava peels were pretreated sequentially: starch removal, alkaline hydrolysis, and enzymatic hydrolysis. The aqueous-mechanical reduction and sieving for 15 cycles removed ?16% of starch (iodometric method). The alkaline pretreatments were carried out with 2, 4, and 6% (w/v) NaOH, 1:100/solid:liquid at 121 °C and 1.1 bar for 30 and 60 minutes. The enzymatic kinetics was evaluated with enzyme concentration at 0.5, 1.5, and 3.0% (v/v). The most suitable alkaline pretreatment for biomass delignication provided around of 34.20% of lignin removal (2% (w/v) NaOH for 30 min). The highest XOS yield was 396.5 mg XOS/g xylan after 48 h and 3.0% enzyme concentration. Regarding the mass balance, from 300 g of cassava peels (an agroindustrial residue), it is possible to obtain up to 3.27% XOS. Therefore, the fractionation of hemicellulose from cassava peels was technically viable from the concepts of biorefinery and bioeconomy, being one of the first researches to approach the extraction of xylan from cassava peel to obtain XOS through enzymatic route with a highly promising yield.