Aproveitamento do resíduo da produção de etanol a partir de farelo de mandioca, como fonte de fibras dietéticas

Utilization of the residue of the ethanol production from cassava fibrous waste, as source for fibre

Resumos

O presente trabalho teve por objetivo analisar resíduos do farelo de mandioca resultantes de processos de hidrólise enzimática para obtenção de etanol; visando o aproveitamento destes como fonte de fibras dietéticas. Foram realizados quatro ensaios enzimáticos utilizando as enzimas amilolíticas, <FONT FACE="Symbol">a</font>-amilase e amiloglucosidase, complementadas ou não com celulase e/ou pectinase. Os resíduos foram caracterizados quanto à composição centesimal, pH, acidez, perfil de açúcares e quanto às fibras (FDA, FDN, celulose, hemicelulose, lignina, açúcares neutros). Realizou-se também a análise microscópica dos resíduos. Pelos resultados obtidos na caracterização dos resíduos calculou-se a energia metabolizável aparente (EM). Observou-se que independente do ensaio enzimático todos os resíduos podem ser usados como fonte de fibras insolúveis. Os resíduos resultantes dos ensaios com pectinase apresentaram uma proporção aproximada de 1:1:1 de amido, fibras e açúcares, sendo a glicose o açúcar majoritário, e com energia metabolizável aparente de cerca de 2,6 kcal/g. Já os resíduos, onde não se utilizou a pectinase a proporção foi de 2:1:1 aproximadamente e a energia 3,1 kcal/g. A análise microscópica dos resíduos mostrou a presença de amido não hidrolisado preso às células em todos os ensaios enzimáticos sendo que, nos resíduos dos ensaios com pectinase a quantidade observada foi bem inferior aos demais. Uma possível alternativa para diminuir o valor calórico dos resíduos seria a lavagem com água após a prensagem para extração do hidrolisado para fermentação.

amilase; pectinase; celulase; fibras; farelo de mandioca

The research had as propose to evaluate the residues of the enzymatic hydrolysis process of the ethanol production from cassava fibrous waste by dietetic fibers. Four hydrolysis process were carried out using the amylases, <FONT FACE="Symbol">a</font>-amylase and amyloglucosidase, with or without pectinase and/or cellulase. Proximate percent composition, pH, acidity, sugars and components of the fiber fraction (ADF, NDF, cellulose, hemicellulose, lignin and neutral sugars) was estimated. Microscopic analysis was made and the metabolic energy also was calculated. The results showed that all residues may be used as insoluble high-fiber product. The residues of the treatment with pectinase by complementary enzyme had a proximate proportion of the 1:1:1 starch, fibers and total sugars, and the glucose was the main sugar. The metabolic energy was 2.6 kcal/g. In the residues without pectinase the proportion was 2:1:1 and the metabolic energy was 3.1 kcal/g. Microscopic analysis showed that would have starch granules inside the unbroken cells and in the process with pectinase less granules were observed. An alternative for caloric value reduction would be the washing of the residue with water after the pressing process.

amylase; pectinase; cellulase; fibers; cassava fibrous waste

Aproveitamento do resíduo da produção de etanol a partir de farelo de mandioca, como fonte de fibras dietéticas¹

M. LEONEL²,^*, M. P. CEREDA³, X. ROAU⁴

RESUMO

O presente trabalho teve por objetivo analisar resíduos do farelo de mandioca resultantes de processos de hidrólise enzimática para obtenção de etanol; visando o aproveitamento destes como fonte de fibras dietéticas. Foram realizados quatro ensaios enzimáticos utilizando as enzimas amilolíticas, a-amilase e amiloglucosidase, complementadas ou não com celulase e/ou pectinase. Os resíduos foram caracterizados quanto à composição centesimal, pH, acidez, perfil de açúcares e quanto às fibras (FDA, FDN, celulose, hemicelulose, lignina, açúcares neutros). Realizou-se também a análise microscópica dos resíduos. Pelos resultados obtidos na caracterização dos resíduos calculou-se a energia metabolizável aparente (EM). Observou-se que independente do ensaio enzimático todos os resíduos podem ser usados como fonte de fibras insolúveis. Os resíduos resultantes dos ensaios com pectinase apresentaram uma proporção aproximada de 1:1:1 de amido, fibras e açúcares, sendo a glicose o açúcar majoritário, e com energia metabolizável aparente de cerca de 2,6 kcal/g. Já os resíduos, onde não se utilizou a pectinase a proporção foi de 2:1:1 aproximadamente e a energia 3,1 kcal/g. A análise microscópica dos resíduos mostrou a presença de amido não hidrolisado preso às células em todos os ensaios enzimáticos sendo que, nos resíduos dos ensaios com pectinase a quantidade observada foi bem inferior aos demais. Uma possível alternativa para diminuir o valor calórico dos resíduos seria a lavagem com água após a prensagem para extração do hidrolisado para fermentação.

Palavras-chave: amilase, pectinase, celulase, fibras, farelo de mandioca.

SUMMARY

Utilization of the residue of the ethanol production from cassava fibrous waste, as source for fibre

. The research had as propose to evaluate the residues of the enzymatic hydrolysis process of the ethanol production from cassava fibrous waste by dietetic fibers. Four hydrolysis process were carried out using the amylases, a-amylase and amyloglucosidase, with or without pectinase and/or cellulase. Proximate percent composition, pH, acidity, sugars and components of the fiber fraction (ADF, NDF, cellulose, hemicellulose, lignin and neutral sugars) was estimated. Microscopic analysis was made and the metabolic energy also was calculated. The results showed that all residues may be used as insoluble high-fiber product. The residues of the treatment with pectinase by complementary enzyme had a proximate proportion of the 1:1:1 starch, fibers and total sugars, and the glucose was the main sugar. The metabolic energy was 2.6 kcal/g. In the residues without pectinase the proportion was 2:1:1 and the metabolic energy was 3.1 kcal/g. Microscopic analysis showed that would have starch granules inside the unbroken cells and in the process with pectinase less granules were observed. An alternative for caloric value reduction would be the washing of the residue with water after the pressing process.

Keywords: amylase, pectinase, cellulase, fibers, cassava fibrous waste.

1 – INTRODUÇÃO

Durante o processo de extração da fécula de mandioca é gerado o farelo, massa ou bagaço; resíduo sólido composto pelo material fibroso da raiz e parte da fécula que não foi possível extrair no processamento [4].

Nas fecularias, para cada tonelada de raíz processada são produzidos cerca de 928,6kg de farelo com 85% de umidade. Após seco, este resíduo apresenta em média 75% de amido e 11,5% de fibras. Diante de sua composição e da considerável quantidade gerada várias pesquisas vêm sendo realizadas no sentido de aproveitar este resíduo [5, 16].

A utilização do farelo como matéria-prima para produção de etanol tem sido objeto de diversos trabalhos, os quais visam a otimização do processo. Embora o desenvolvimento de um processo eficiente e econômico para produção de etanol a partir do farelo possa resultar em sua utilização, o mesmo gera por sua vez outros resíduos, como a vinhaça e o resíduo fibroso final, os quais devem ter um destino, de preferência lucrativo, e não prejudicar o meio ambiente [11, 15, 21, 32].

Quanto a vinhaça, esta poderia ser utilizada "in natura" na alimentação animal, como se utiliza a gerada no processo de produção de álcool fino de cereais [21]. Já o resíduo fibroso final poderia ser aproveitado como fonte de fibras dietéticas, produto esse de elevado valor agregado [18].

As fibras alimentares, na maior parte, são o material das paredes celulares das plantas, que, por sua resistência à digestão por meio de enzimas humanas, sofrem modificações muito limitadas em sua estrutura e são eliminadas quase totalmente [1].

As fibras alimentares têm, cada qual, efeitos fisiológicos diferentes. Em geral, as fibras solúveis em água (pectinas, gomas, mucilagens e certas hemiceluloses) retardam a passagem intestinal, o esvaziamento gástrico e a absorção da glicose, ajudando a reduzir o colesterol no soro sangüíneo. As fibras insolúveis em água (lignina, celulose e algumas hemiceluloses) aceleram o trânsito intestinal, aumentam o peso das fezes, desaceleram a hidrólise do amido e retardam a absorção da glicose, contribuindo para a redução do risco de alguns males do cólon [1].

Segundo CEREDA [6], o farelo de mandioca é uma fonte de fibra de boa qualidade, apresentando em média 29% de fibra detergente neutro (FDN), 14% de fibra detergente ácido (FDA) e uma proporção de 6:1 de insolúveis para solúveis.

Neste trabalho objetivou-se analisar os resíduos resultantes de quatro processos enzimáticos de hidrólise-sacarificação do farelo de mandioca para obtenção de etanol, visando o possível aproveitamento desses como fonte de fibras dietéticas, possibilitando à indústria complementar as receitas com o álcool e a vinhaça, o que, sem dúvida, viabilizaria os investimentos necessários para a implantação do processo.

2 – MATERIAL E MÉTODOS

Os resíduos fibrosos foram obtidos em quatro ensaios enzimáticos de hidrólise e sacarificação do farelo de mandioca para obtenção de etanol [21]. No ensaio E1 foram utilizadas as enzimas a-amilase e amiloglucosidase [26]; no ensaio 2 (E2) utilizou-se além das enzimas do E1 a pectinase e a celulase como complementares [14]; no ensaio E3 foi utilizada somente a celulase como complementar às enzimas do E1 [17] e, no ensaio E4 a pectinase como complementar [21]. A Figura 1 mostra o fluxograma do processo de obtenção dos resíduos.

As concentrações e condições de uso das enzimas foram as recomendadas pelo fabricante [24]. Os produtos comerciais foram: Termamyl 120 L (amilase), AMG 200L (amiloglucosidase), Pectinex Ultra SP-L (pectinase) e Celluclast 1,5 L (celulase).

Todos os ensaios enzimáticos foram iniciados com a elaboração de uma suspensão de farelo e água (500g p/p) na concentração de 12% de amido correspondendo a: 74,99g de matéria seca, 60g de amido, 8,62g de fibras, 0,34g de açúcares totais, 0,86g de cinzas e 0,64g de proteínas [21].

Os resíduos fibrosos finais foram caracterizados quanto a: umidade inicial (%), matéria seca (g), cinzas (g), fibras (g) e proteínas (g) [2], amido (g) [28] , açúcares totais retidos (g) [31] e seu perfil (g) [12].

Para determinação do perfil dos açúcares retidos no resíduo foram retiradas amostras de 1g secas em estufa a 60° C e diluídas na proporção 1/20 (p/p) com água destilada a 40° C. As amostras foram centrifugadas por 5 minutos a 3000rpm. e do sobrenadante retirou -se alíquotas que foram analisadas em HPLC com coluna BIORAD à temperatura de 70ºC com fluxo de 0,6ml/min, tendo água destilada e filtrada como fase móvel [12]. O perfil de açúcares obtido foi confirmado por análise dos açúcares totais pelo método de SOMOGY [31].

Com relação às fibras, os resíduos foram caracterizados quanto a: fibra detergente neutro (FDN), fibra detergente ácido (FDA), lignina, celulose e hemicelulose [33,34]. Analisou-se também os teores de raminose, arabinose, xilose, manose, galactose e glicose da fração fibra, através de cromatografia (glc), coluna OV225, usando inositol como fase intermediária [3, 30].

Os resíduos foram também analisados microscopicamente através de exame a fresco de amostras dos resíduos diluídas em água e glicerina 50%, sendo os campos mais representativos fotografados.

A comparação dos resíduos finais foi realizada através da técnica da análise de variância, complementada com o teste de comparações de pares de médias de TUKEY [25].

3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados apresentados na Tabela 1 mostram que os resíduos resultantes dos ensaios enzimáticos E1 e E3, bem como os resultantes de E2 e E4 apresentaram composição muito semelhantes. Entretanto, no ensaio E1 foi utilizado somente a a-amilase e a amiloglucosidase, e no ensaio E3 utilizou-se a celulase como enzima complementar, o que evidencia o pouco efeito desta enzima auxiliar no processo de hidrólise e sacarificação. Já a semelhança entre os resultados dos ensaios E2 e E4 demonstra que o uso da pectinase como enzima complementar promoveu um aumento da hidrólise, confirmando o observado por LEONEL [21], de aumento no rendimento do processo de obtenção de etanol a partir de farelo de mandioca.

Através da análise microscópica dos resíduos resultantes dos diferentes processos enzimáticos de hidrólise do amido (Figura 2), foi possível confirmar que todos os ensaios enzimáticos promoveram a hidrólise completa dos grânulos de amido livres presentes no farelo [20]. Todavia, foi observado que no ensaio E1, onde não se utilizou as enzimas complementares, muitas células estavam arrebentadas, mas ainda existia muito amido preso no interior das mesmas e ligados às paredes destruídas. No ensaio E2, onde se utilizou as duas enzimas auxiliares, muitas células foram destruídas, mas ainda foi possível observar grânulos de amido gelificados ligados à fragmentos celulares. No ensaio E3, que utilizou a celulase como enzima auxiliar, observou-se células destruídas e muitos macerados de células com amido. Já no ensaio com pectinase (E4), as células estavam muito destruídas e o amido gelificado, ainda presente, estava ligado aos fragmentos de parede semelhante ao que foi observado no ensaio E2.

Os resultados obtidos levam à hipótese da existência de uma forte ligação do grânulo de amido à parede celular, fazendo com que mesmo após a hidrólise e a destruição da parede, fique algum vestígio de amido gelatinizado ligado às células.

Com relação ao aspecto nutricional, todos os resíduos, da mesma forma que a mandioca e o farelo, apresentaram baixo teor protéico, sendo ricos em carboidratos.

Os resíduos apresentaram elevada concentração de açúcares totais, sendo 26,61% no ensaio E1, 29,10% em E2, 26,31% em E3 e 29,37% no ensaio E4. Os altos níveis de açúcares se devem principalmente ao hidrolisado retido no resíduo após a prensagem. Uma possibilidade para a redução deste teor de açúcares seria a lavagem do resíduo após a prensagem e a recirculação da água, pois esta não poderia ser misturada ao hidrolisado porque, promovendo diluição, aumentaria os gastos energéticos.

Segundo MAC ARTHUR & D’APPOLONIA [23], o farelo de aveia contém em torno de 2,6 a 3,4% de açúcares totais.

Foi possível observar que os resíduos resultantes dos ensaios em que se utilizou a pectinase (E2 e E4) apresentaram uma proporção aproximada de 1:1:1 de amido, fibras e açúcares totais, sendo a glicose o açúcar majoritário. Já os resíduos de E1 e E3 apresentaram uma maior quantidade de amido (baixo rendimento da hidrólise), ocorrendo uma proporção de 2:1:1 aproximadamente. Contudo, ao se calcular a energia metabolizável aparente (EM) dos resíduos nos diferentes ensaios enzimáticos, os resíduos resultantes dos ensaios com pectinase (2,59 kcal/g no E2 e 2,56 kcal/g no E4) apresentaram um menor valor energético quando comparados com os resíduos dos ensaios E1 (3,13kcal/g) e E3 (3,11kcal/g). Segundo PEDÓ e SGARBIERI [27] a energia metabolizável aparente para cultivares de aveia variaram entre 3,82 e 3,88kcal/g.

LOCKHART et al. [22], analisando o valor calórico de cereais matinais encontraram: 3,8kcal/g para farelo de aveia, 2,4kcal/g para farelo de arroz e 2,5kcal/g para farelo de trigo.

Já os resultados obtidos na caracterização das frações fibra (Tabela 2), mostraram que ocorreu uma concentração em relação aos resultados obtidos por LEONEL et al. (1998) [20] na caracterização do farelo de mandioca: 16,39% (FDA), 38,70% (FDN), 11,78% celulose, 22,31% hemicelulose e 4,59% de lignina.

Para os ensaios enzimáticos foi possível observar que o ensaio E1, onde utilizou-se somente as amilases, o resíduo apresentou uma maior porcentagem de hemicelulose em relação aos demais resíduos, o que demonstra a ação das enzimas complementares, celulase e pectinase, sobre esta fração. A baixa porcentagem de hemicelulose nos resíduos dos ensaios E2 e E4 evidencia a ação hemicelulolítica citada pelo fabricante NOVO, [24] da pectinase comercial. Segundo DA SILVA et al. [7], as preparações enzimáticas, denominadas comercialmente de "pectinases", são formuladas para conter um ou mais tipos de enzimas pectinolíticas dependendo do tipo de aplicação, além de atividades de celulases, hemicelulases, proteases e amilases, constituindo um coquetel enzimático.

Em razão da ação da pectinase sobre a hemicelulase, os resíduos de E2 e E4 apresentaram em sua composição a celulose como principal fração fibra, seguida da lignina e da hemicelulose. O mesmo ocorreu com o resíduo resultante do ensaio com celulase (E3),mas em menor proporção. Já o resíduo do ensaio E1 apresentou porcentagens bastante próximas de celulose e hemicelulose, semelhante a composição da mandioca.

Segundo RIVERA et al. [29], a mandioca apresenta em média: 4,65% de FDN, 2,79% de FDA, 1,96% de hemicelulose, 1,76% de celulose, 0,56% de lignina, 1,17% de pectina e 83,02% de amido expressos na base seca.

Com relação ao perfil de açúcares das fibras os resultados mostraram ser a glicose o açúcar majoritário em todos os resíduos, após o que a xilose e a galactose predominaram em todos os ensaios enzimáticos (Figuras 3 e 4).

Analisando-se os resultados obtidos no ensaio E1, pode verificar-se uma maior porcentagem de galactose na fração hemicelulose, visto que somente utilizaram amilases na hidrólise-sacarificação. Para os resultados dos ensaios E2 e E4 pode-se observar uma redução em relação ao ensaio E1, o que demonstra que ocorreu a hidrólise parcial da hemicelulose.

A presença de raminose nos resíduos indica que o farelo apresenta uma pequena porcentagem de pectina, visto serem os polissacarídeos pécticos ricos em ácido galacturônico, raminose, arabinose e galactose [7].

Como se pode depreender, os resíduos fibrosos, independente do ensaio enzimático, possuem em sua composição altos níveis de fibra, predominantemente do tipo insolúvel. De acordo com DIAS et al. [8], o farelo de arroz também apresenta-se como produto rico em fibras insolúveis contendo: 10,1% de FDA, 27,4% de FDN, 2,64% de celulose, 17,3% de hemicelulose e 20,9% de lignina.

Acredita-se que as fibras insolúveis tenham importante papel na prevenção do câncer de cólon devido à capacidade de reduzir o trânsito intestinal, aumentar o volume fecal, tornar mais lenta a absorção da glicose, retardar a digestão do amido e deprimir a taxa de proliferação celular colônica [8, 9,10, 13]. Muitos outros estudos sobre os benefícios das fibras para a saúde do homem vêm sendo desenvolvidos, o que tem levado as indústrias de alimentos buscar cada vez mais produtos que atendam as novas exigências nutricionais dos consumidores.

Os resultados obtidos mostram que os resíduos resultantes dos processos de hidrólise-sacarificação apresentaram boas características, para aplicação como base de produtos dietéticos ricos em fibras insolúveis. O uso da pectinase como enzima complementar gera um resíduo fibroso, com boas qualidades nutricionais e o aproveitamento desse resíduo poderia, sem dúvida, colaborar para a viabilização econômica do uso desta enzima como complementar no processo.

4 – CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos foi possível concluir que:

• independentemente do ensaio enzimático, todos os resíduos apresentaram perfil adequado para uso, como base para produtos dietéticos ricos em fibras insolúveis;

• a celulose foi a principal fração fibrosa nos resíduos resultantes dos processos enzimáticos, com enzimas complementares;

• os resíduos resultantes dos ensaios E2 e E4 apresentaram energia metabolizável aparente 17% mais baixa, que a dos resíduos dos ensaios E1 e E3;

• resíduo gerado no ensaio enzimático com pectinase como enzima complementar apresentou uma proporção de 1:1:1 de amido, fibras e açúcares;

• a lavagem do resíduo com água poderia diminuir o teor de açúcares totais, tornando-o menos calórico.

5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6 – AGRADECIMENTOS

Agradecemos à Novo Nordisk S/A - Araucária -PR, pela concessão das enzimas e, a colaboração da Profa. Carmem Regina Marcati, do Departamento de Ciências Florestais - FCA/UNESP/Botucatu-SP, nas análises microscópicas.

² Doutora – Centro de Raízes Tropicais (CERATI) – UNESP/Botucatu – SP, Caixa Postal 237, CEP: 18603-970, Fone/Fax: [phone].

³ Profª. Titular – Diretora – Centro de Raízes Tropicais – UNESP –SP.

⁴ Doutor – INRA – Montpellier.

* A quem a correspondência deve ser enviada.

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Recebido para publicação em 11/12/98. Aceito para publicação em 14/07/99.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  09 Fev 2000
• Data do Fascículo
  Maio 1999

Histórico

• Aceito
  14 Jul 1999
• Recebido
  11 Dez 1998