Hydrothermal and microwave assisted synthesis of levulinic acid from watermelon waste and application of the control of blue mold on citrus by a recently isolated Penicillium Italicum

Abstract

A demanda de energia e alimentos contribui para o aumento da geração de resíduos, principalmente de alimentos, sendo a maior parte descartada em aterros sanitários, o que reflete em problemas ambientais e de saúde pública. A valorização desses resíduos como fonte de matéria prima para a obtenção de produtos de alto valor agregado vem se tornando uma excelente alternativa. A biomassa residual é um grande recurso para a obtenção de produtos valiosos. Ao longo dos anos, pesquisas têm se concentrado na exploração plena de estruturas de biomassa, principalmente lignocelulósicas, para obter rendimentos satisfatórios de diferentes bioprodutos e estabelecer processos industriais economicamente viáveis. Dentre os bioprodutos, o ácido levulínico (AL) tem se destacado como uma das principais plataformas para produtos derivados de biomassa. A principal via de síntese para obtenção de AL é a partir da degradação da celulose via catálise ácida. Neste cenário, foi proposta a utilização de resíduos de melancia para síntese de AL, valorizando a biomassa residual ainda inexplorada para esse fim. As frações líquidas e sólida, bem como a polpa bruta, foram investigadas com catalisadores ácidos minerais, ácido sulfúrico e ácido clorídrico em dois sistemas de reação, autoclave e micro-ondas de síntese. Os maiores rendimentos, 14,8 e 17% em peso, foram obtidos com a fração sólida, em micro-ondas com a otimização dos experimentos através de um planejamento composto central (DCC 23), onde a temperatura afetou significativamente a reação. Na melhor condição obtida no DCC foram analisadas as frações líquidas e a polpa bruta e em todos os casos obteve-se um produto não purificado contendo apenas AL e ácido fórmico (AF). O micro-ondas apresentou maior eficiência, sendo uma alternativa promissora para utilização em reações que necessitam de energia. Devido a sua multifuncionalidade, ainda foi proposto um novo uso para a mistura reacional obtida que continha AL e AF, mistura não purificada, visando avaliar o AL como inibidor fúngico em doenças de frutas cítricas. Assim, investigou-se a ação inibitória do AL não purificado, obtido de resíduos de melancia, contra o fungo Penicillium italicum, isolado de frutas cítricas. O AL foi avaliado em testes in vitro e inibiu o crescimento micelial do fungo. Posteriormente foram realizados experimentos in vivo com laranjas da espécie Citrus sinensis, cultivar Valência. A proliferação fúngica em C. sinensis foi investigada pela aplicação da mistura não purificada contendo AL (43 mM) e AF (28 mM), comparando-os com controles negativos (sem agente inibitório) sob o fungo inoculado. Como teste adicional realizou-se experimentos utilizando somente AF para comparação com a mistura de AL e AF. Os resultados de perda de peso das frutas e incidência de doenças diminuíram quando o AL foi utilizado como agente inibidor, não sendo observados impactos negativos na qualidade dos frutos. O AF não inibiu o crescimento fúngico, indicando que o potencial antifúngico é encontrado no AL. Seu efeito inibitório foi confirmado pela determinação das atividades das enzimas antioxidantes catalase (CAT), ascorbato peroxidase (APX), superóxido dismutase (SOD) e peroxidase (POD), onde não foi observado aumento nas atividades devido à inibição do fungo antes de sua proliferação nos frutos. De acordo com os resultados alcançados na obtenção do AL, este estudo apresenta uma estratégia sustentável, utilizando resíduos e catalisadores de baixo custo, contribuindo de forma promissora para uma economia circular baseada em resíduos agrícolas. Além disso fornece dados relevantes sobre uma nova aplicabilidade do AL bruto como agente antifúngico, efeito ainda inexplorado para este composto na literatura recente, oferecendo uma solução prática e inovadora no combate ao mofo azul.

Abstract: The demand for energy and food contributes to the increase in waste generation, mainly food, with the majority of it being discarded in landfills, which results in environmental and public health problems. The valorization of these wastes as a source of raw material to obtain products with high added value has become an excellent alternative. Waste biomass is a great resource for obtaining valuable products. Over the years, researchers have focused on fully exploiting biomass structures, especially lignocellulosic ones, to achieve satisfactory yields of different bioproducts for establishing economically viable industrial processes. Among bioproducts, levulinic acid (LA) has emerged as a key platform for biomass-derived products. The main synthesis route for obtaining LA involves the degradation of cellulose via acid catalysis. In this context, the use of watermelon waste for the synthesis of LA was proposed, valuing the still unexplored residual biomass for this purpose. Liquid (LF) and solid fractions (SF), as well as raw pulp (RP), were investigated with mineral acid catalysts, sulfuric acid, and hydrochloric acid, in two reaction systems: autoclave and synthesis microwave. The highest yields, 14.8% and 17% by weight, were obtained with the SF in the microwave with experiment optimization through a central composite design (DCC 23), where temperature significantly affected the reaction. Under the best condition obtained in the DCC, LF and RP were analyzed, and in all cases, a clean product containing only LA and formic acid (FA) was obtained. The microwave showed higher efficiency, proving to be a promising alternative for reactions requiring energy. Due to multifunctionality the of LA, a new use was proposed for the obtained reaction mixture containing LA and FA in its crude form, aiming to evaluate LA as a fungicidal inhibitor in citrus diseases. Thus, the inhibitory effect of unpurified LA obtained from watermelon waste against the fungus Penicillium italicum, isolated from citrus fruits, was investigated. LA was evaluated in in vitro tests and inhibited the mycelial growth. Subsequently, in vivo experiments were conducted with oranges of the species Citrus sinensis, cultivar Valencia. Fungal proliferation in C. sinensis was investigated by applying the unpurified mixture containing LA (43 mM) and FA (28 mM) and comparing them with negative controls (no inhibitory agent). As an additional test, experiments were carried out using only AF to compare with the mixture of AL and AF. Fruit weight loss and disease incidence decreased when LA was used as an inhibitory agent, with no observed negative impacts on fruit quality. FA did not inhibit fungal growth, indicating that the antifungal potential is found in LA. Its inhibitory effect was confirmed by determining the activities of antioxidant enzymes catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), superoxide dismutase (SOD), and peroxidase (POD), where there was no increase in activities due to the inhibition of the fungus before its proliferation in the fruits. According to the results achieved in obtaining LA, this study presents a sustainable strategy, utilizing low-cost waste and catalysts, promisingly contributing to a circular carbon economy based on agricultural residues. Additionally, it provides relevant data on the new applicability of crude LA as a fungicidal agent, an effect still unexplored for this compound in recent literature, offering a practical and innovative solution in combating blue mold.