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Avaliação da concentração de pectinase no processo de hidrólise-sacarificação do farelo de mandioca para obtenção de etanol

Determination of the pectinase concentration in hydrolysis - saccharification process for ethanol production by cassava fibrous residue

Resumos

Neste trabalho objetivou-se avaliar a concentração de pectinase (Pectinex Ultra SP-L) no processo de hidrólise-sacarificação do farelo de mandioca para produção de etanol. Foram avaliadas quatro concentrações da enzima pectinase com enzima complemetar as amilases e o tratamento com apenas as amilases. Realizou-se a caracterização do hidrolisado e resíduo fibroso resultantes do processo, e os resultados obtidos demonstraram que a concentração mínima de pectinase para um bom rendimento do processo foi 8Kg enzima/t fibras, com. 89,4% do amido hidrolisado. Quanto ao resíduo fibroso, este apresenta potencialidade de aproveitamento com base para produtos dietéticos ricos em fibras.

resíduo; mandioca; pectinase; álcool; fibras


This work was proposed to determine of the pectinase concentration in process of the ethanol production by cassava fibrous waste. The results indicated that minimal concentration of pectinase was 8Kg/t fibre and 89.4% starch was hydrolyzed in process. The treatment without pectinase 72.5% of starch was hydrolyzed. The final residues may be used as high-fiber food product.

waste; cassava; pectinase; alcohol; fibre


AVALIAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE PECTINASE NO PROCESSO DE HIDRÓLISE-SACARIFICAÇÃO DO FARELO DE MANDIOCA PARA OBTENÇÃO DE ETANOL1 1 Recebido para publicação em 21/12/99. Aceito para publicação em 03/10/00.

M. LEONEL2 1 Recebido para publicação em 21/12/99. Aceito para publicação em 03/10/00. ,* 1 Recebido para publicação em 21/12/99. Aceito para publicação em 03/10/00. , M.P. CEREDA3 1 Recebido para publicação em 21/12/99. Aceito para publicação em 03/10/00.

RESUMO

Neste trabalho objetivou-se avaliar a concentração de pectinase (Pectinex Ultra SP-L) no processo de hidrólise-sacarificação do farelo de mandioca para produção de etanol. Foram avaliadas quatro concentrações da enzima pectinase com enzima complemetar as amilases e o tratamento com apenas as amilases. Realizou-se a caracterização do hidrolisado e resíduo fibroso resultantes do processo, e os resultados obtidos demonstraram que a concentração mínima de pectinase para um bom rendimento do processo foi 8Kg enzima/t fibras, com. 89,4% do amido hidrolisado. Quanto ao resíduo fibroso, este apresenta potencialidade de aproveitamento com base para produtos dietéticos ricos em fibras.

Palavras-chave: resíduo; mandioca; pectinase; álcool; fibras.

SUMMARY

DETERMINATION OF THE PECTINASE CONCENTRATION IN HYDROLYSIS - SACCHARIFICATION PROCESS FOR ETHANOL PRODUCTION BY CASSAVA FIBROUS RESIDUE. This work was proposed to determine of the pectinase concentration in process of the ethanol production by cassava fibrous waste. The results indicated that minimal concentration of pectinase was 8Kg/t fibre and 89.4% starch was hydrolyzed in process. The treatment without pectinase 72.5% of starch was hydrolyzed. The final residues may be used as high-fiber food product.

Keywords: waste; cassava; pectinase; alcohol; fibre.

1 — INTRODUÇÃO

A globalização das economias determinou mudanças no comportamento geral das empresas, que precisam revisar seus processos tecnológicos de produção, a qualidade de seus produtos e se lançar na procura de novos mercados. As fecularias de mandioca também foram afetadas pelas mudanças de economia e enfrentam atualmente mercados muito competitivos que as obrigam à um gerenciamento de produção dinâmico. Desta forma, o aproveitamento dos resíduos gerados como forma de tornar mais eficiente o processo de produção de fécula, tem obtido bastante interesse dos industriais.

No Brasil existem cerca de 80 unidades de produção de fécula de mandioca, a maioria localizadas nos estados de Santa Catarina, Paraná, São Paulo e Mato Grosso do Sul, sendo que o número de empresas é ligeiramente inferior, pois muitas delas possuem várias unidades.

O processo de produção de fécula de mandioca, qualquer que seja o grau de tecnologia empregada, consiste das etapas de lavagem e descascamento das raízes, ralação para a desintegração das células e liberação dos grânulos de amido, separação das fibras e do material solúvel e finalmente, secagem [19].

O farelo de mandioca é um resíduo sólido gerado na etapa de separação da fécula de mandioca. Segundo CEREDA [4], a composição média do farelo de diferentes fecularias brasileiras após secagem é: 10% de umidade, 15% de fibras, 75% de amido e pH 5,5.

A elevada quantidade de farelo gerado (930 Kg/t raiz processada) e a sua umidade (85%) fazem com que este material se apresente como um problema durante a safra, devido às dificuldades de transporte e armazenamento. Diante disto, o interesse e também a necessidade de utilização desse resíduo, visto aos prejuízos causados ao ambiente com a sua disposição, são bastante significativos por parte dos industriais da área. Atualmente, este resíduo tem sido doado à fazendeiros para alimentação animal, depositado em valas próximas às fecularias ou vendido por cerca de R$ 10,00 a tonelada úmido e R$ 190,00 a tonelada seco, para mineração** ** Fadel, V. Halotek Fadel S/A, Palmital - SP, informação pessoal, 1999. .

Uma possibilidade de aproveitamento do resíduo bastante requisitada é a produção de etanol a partir do farelo, visto que existem fecularias próximas à destilarias de álcool. O interesse seria a produção de álcool fino, que teria um mercado diferenciado.

LEONEL & CEREDA [10] , avaliando o uso da celulase e pectinase no processo de obtenção de etanol a partir de farelo de mandioca, concluíram que o uso de pectinase como enzima complementar às amilases no processo de hidrólise-sacarificação proporciona melhores rendimentos ao processo. Entretanto, os autores salientam a necessidade de estudos no sentido de amenizar os custos do processo, visto ser a pectinase comercial um produto de elevado custo.

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. Quanto a vinhaça, esta poderia ser utilizada na alimentação animal. Já o resíduo fibroso final poderia ser aproveitado também como fonte de fibras dietéticas, produto esse de elevado valor agregado [9].

As mudanças econômicas, os níveis de industrialização, a disponibilidade de alimentos, os tipos de trabalho e maiores receitas vêm transformando os estilos tradicionais de vida, incluindo-se aqui os hábitos alimentares. Esta nova tendência de vida mais acelerada, anteriormente apenas característica de sociedades mais abastadas e industrializadas, também trouxe, como conseqüência, mudanças no estado nutricional e um aumento na incidência de doenças crônicas degenerativas [1].

A importância da fibra alimentar tem sido inegavelmente relacionada com a regulação das funções intestinais como trânsito do bolo intestinal e volume fecal, prevenção de doenças como diverticulite, constipação, hiperlipidemia, hiperglicemia e câncer de intestino grosso e de mama [2, 5, 14, 15, 17]. Acredita-se que as fibras exercem suas funções através de sua capacidade de hidratação e de aumentar o volume do bolo fecal e a velocidade de trânsito do bolo alimentar.

A mandioca é uma raiz eminentemente calórica cuja fração mais significativa é o amido representando cerca de 35% da matéria fresca.

HOLLOWAY [7], analisando a composição de alguns alimentos quanto ao teor de fibras dietéticas e demais constituintes verificaram em raízes de mandioca (% do peso seco): 60,5% de umidade, 84,9% de amido, 5,8% de pectina, 2,7% de hemicelulose, 1,9% de celulose e 1,1% de lignina.

Já RIVERA [16], caracterizando a fração fibra de raízes de mandioca utilizando métodos gravimétricos encontraram: 39,7% de fibra detergente neutro (FDN), 23,8% de fibra detergente ácido (FDA), 16,7% de hemicelulose, 15% de celulose, 4,8% de lignina, 10% de pectina na base seca.

LEONEL [9], analisando as fibras do farelo de mandioca industrial observaram: 16,39% de fibra detergente ácido (FDA), 38,7% de fibra detergente neutro, 11,8% de celulose, 22,3% de hemicelulose e 4,6% de lignina.

Dentro deste contexto, neste trabalho objetivou-se avaliar a menor concentração de pectinase necessária no processo de hidrólise e sacarificação do farelo para obtenção de álcool fino, levando à melhoria no processo e à geração de um resíduo fibroso com características para o aproveitamento como fibra dietética.

2 — MATERIAL E MÉTODOS

O farelo de mandioca foi obtido da cultivar Branca de Santa Catarina, processada comercialmente para a extração da fécula de mandioca na unidade industrial de Ibirarema-SP da empresa Halotek Fadel S/A. O farelo obtido passou por duas prensas, sendo a primeira de correia e a segunda hidráulica, visando desta forma reduzir parcialmente a umidade, além do volume gerado, e facilitar o transporte.

2.1 – Avaliação da concentração de pectinase

Foram utilizadas suspensões de 500g (p/p) de farelo úmido e água destilada contendo 12% de amido, ou seja, 15,8% de matéria seca. As suspensões foram preparadas e adicionadas à enzima pectinase nas concentrações de 2Kg/t de fibras (T2), 4 kg/t/fibras (T3), 8kg/t fibras (T4) ,16kg/t fibras (T5) e sem adição de pectinase (T1), e à enzima a - amilase na concentração recomendada pelo fabricante (0,5kg Termamyl 120L/t amido). Os frascos permaneceram sob agitação a 45°C por 1 hora. Decorrido este período, elevou-se a temperatura gradualmente a 90°C, permanecendo nesta temperatura e sob agitação por 1 hora. Após este tempo, a temperatura foi reduzida para 60°C e o pH foi corrigido com solução tampão acetado para 4,5. Adicionou-se a amiloglucosidase na concentração recomendada (1,13L de AMG 300L/t amido). Os erlenmeyers permaneceram em agitação por 24 horas. O pH das suspensões de substrato não foram ajustados e também não foi adicionado cálcio, seguindo as recomendações da NOVO [12], para uso da Termamyl na indústria de álcool. Concluído o processo de hidrólise e sacarificação, realizou-se a filtração e prensagem manual obtendo-se o hidrolisado e o resíduo fibroso final (Figura 1).


2.2 – Caracterização dos resíduos fibrosos finais

Os resíduos foram caracterizados por análises de: peso (g), umidade (%), cinzas (%), fibras (%), açúcares totais (%) e amido (%) [3,18].

Para a análise em microscopia eletrônica, as amostras foram diluídas em álcool etílico 100% (1/10), e colocou-se duas gotas nos "stubs". Após este procedimento as amostras foram cobertas com 10mm de ouro metalizador MED-010 da Balzers e foram analisadas em Microscópio Eletrônico de Varredura SEM 515 da Philips, sob tensão de 20KV.

2.3 – Análise econômica

Para a elaboração da análise de custos foram estabelecidas as seguintes hipóteses, tomando-se por base alguns dados fornecidos pela Agroindustrial Tarumã S/A, indústria produtora de álcool fino de milho, situada em São Pedro do Turvo-SP:

1) O preço da matéria - prima foi estimado em R$ 10,00 a tonelada;

2) Foi considerado na mão-de-obra 16 pessoas recebendo 2,5 salários mínimos em média em dois turnos de trabalho. Como encargos sociais foi previsto um fator de 115% sobre o valor bruto da folha de pagamento;

3) Considerou-se o valor de 2,5 % dos custos para despesas com venda;

4) O preço do álcool para venda foi estimado em R$ 0,70 por litro, valor atual de venda do álcool fino de cereais;

5) Foi considerado a venda da vinhaça para uso na fertirrigação e alimentação animal ao preço de R$ 6,00 por m3, sendo gerado cerca de 10 litros de vinhaça para cada litro de álcool produzido;

6) Estabeleceu-se em R$ 190,00 a tonelada o preço de venda do resíduo fibroso final seco para uso como fonte de fibras dietéticas.

2.4 – Delineamento estatístico

As análises dos hidrolisados e dos resíduos finais em função das concentrações de pectinase foram realizadas pela análise de variância e Teste Tukey, sendo também analisadas através de regressão e construção dos respectivos gráficos dos modelos ajustados, nas diferentes concentrações da enzima [6,13].

Todas as discussões estatísticas foram realizadas no nível de 5% de significância.

3

— RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 – Caracterização do farelo

Os resultados obtidos na caracterização do farelo de mandioca mostram que com o uso das prensas a umidade do farelo foi cerca de 30% inferior a umidade característica deste resíduo quando gerado que é em torno de 85% [9].

Com relação as demais variáveis analisadas, o farelo apresentou composição bastante semelhante à relatada na literatura como média de farelos originários de diferentes indústrias brasileiras [4, 8].

3.2 – Análises dos hidrolisados

A análise estatística dos dados demonstrou que a comparação dos pesos médios dos hidrolisados obtidos diferiram com os tratamentos enzimáticos.

A observação destes resultados e também da variação do peso do hidrolisado em função da concentração de pectinase (Figura 2), mostra que com o aumento da concentração da enzima ocorreu um aumento da quantidade de hidrolisado, e uma tendência a estabilização a partir da concentração de 8Kg pectinase/t fibras (T4).


Com relação ao Brix dos hidrolisados não foi observado diferença estatística entre os tratamentos, ocorrendo uma pequena variação com o aumento da concentração de enzima. O Brix encontrado nos tratamentos está bastante próximo ao valor de 13 observado por LEONEL & CEREDA [8], em hidrolisado de farelo de mandioca obtido a partir de suspensão inicial com 15% de matéria seca e 12% de amido.

Para os teores de açúcares totais, observou-se, da mesma forma que para o Brix, que não ocorreram diferenças significativas entre os tratamentos T4 e T5, portanto, a partir da concentração de 8Kg/t de fibras de pectinase o rendimento em açúcares permaneceu praticamente constante.

O pH do hidrolisado apresentou diferenças significativas em relação aos tratamentos, contudo, os valores observados em todos os tratamentos estão bastante próximos do valor ajustado (pH 4,5) para a ação da amiloglucosidase (AMG 300L) no processo de hidrólise-sacarifcação da pasta.

3.3 – Análises dos resíduos fibrosos finais

Os resultados da análise de comparação dos tratamentos para os resíduos finais são apresentados no Quadro 03, e a variação da composição destes em função da concentração de pectinase estão nas Figuras 05 a 10.








Com relação ao peso úmido dos resíduos, verificou-se que ocorreu diferença estatística entre todos os tratamentos, observando-se um comportamento decrescente bastante acentuado entre o tratamento T1, onde não foi utilizado a enzima pectinase e o tratamento T4 (8Kg/t fibras). Já entre os tratamentos T4 e T5 a variação do peso em função da concentração de pectinase foi pequena, sendo que a concentração utilizada no T5 foi o dobro da usada no tratamento T4 (Figura 05).

A análise do teor de matéria seca nos resíduos mostrou que o tratamento T1 (sem pectinase) apresentou a maior quantidade, diferindo estatísticamente dos demais tratamentos.

Observando-se os resultados obtidos para os teores de matéria seca, amido e fibras é possível verificar que o uso da pectinase promoveu diferenças significativas entre os tratamentos para as três variáveis. Por outro lado, o aumento da concentração de 2Kg pectinase/ton fibras (T2) para 4,0kg pectinase/ton fibras (T3) não promoveu variações significativas. Já o aumento para a concentração de 8Kg pectinase/ton fibras (T4) levou à uma diminuição significativa do teor de matéria seca residual (Figuras 06, 07, 08).

Com relação aos açúcares retidos não ocorreu diferença significativa entre os tratamentos T1 e T2 e entre T4 e T5. A análise do teor de açúcares totais no resíduo demonstrou que com o aumento da concentração de pectinase a porcentagem de açúcares retidos no resíduo em relação ao total obtido diminuiu. No tratamento T1 ficaram retidos no resíduo fibroso 31,41% dos açúcares totais obtidos no processo de hidrólise-sacarificação, no tratamento T2 22,84%, 16,05% no T3, 9,33% no T4 e 9,08% no T5.

LEONEL & CEREDA [8], analisando o resíduo fibroso resultante do processo de hidrólise do farelo para obtenção de álcool fino, observou que no tratamento em que se utilizou pectinase, cerca de 12% do total de açúcares obtidos ficaram retidos no resíduo final.

A análise do teor de cinzas demonstrou haver uma pequena variação decrescente em relação à concentração de pectinase, todavia, não ocorreu diferença significativa entre os tratamentos.

3.4 – Análise microscópica dos resíuduos fibrosos finais

A análise microcópica dos resíduos resultantes do processo de hidrólise e sacarificação do farelo teve por objetivo visualizar o efeito das concentrações de pectinase sobre os grânulos de amido e paredes celulares (Figuras 11 a 15).






No tratamento T1 (sem pectinase), não foram observados grandes diferenças quanto ao aspectos das células, quando se comparou com as observações realizadas no farelo inicial. Já quanto aos grânulos de amido livre, estes foram totalmente hidrolisados. Nos tratamentos T2 e T3, da mesma forma que no T1, não foram observados grânulos de amido livres, observando-se alguns "amontoados de células", algumas rompidas e outras não com grânulos de amido sobrepostos.

Já nos tratamentos T4, T5 e T6 observou-se diversos fragmentos celulares e uma pequena quantidade de células intactas, não sendo visualizado grânulos de amido.

Estas observações confirmam os resultados da caracterização dos resíduos, mostrando que o aumento da concentração de pectinase além de diminuir a viscosidade da pasta facilitando a ação das amilases, promoveu também o rompimento de paredes celulares.

3.5 – Aproveitamento do resíduo como fibra dietética

Com relação ao aspecto nutricional, os resíduos resultantes dos tratamentos T1, T2 e T3 apresentaram um maior teor de amido e açúcares. Já os resíduos dos tratamentos T4 e T5 apresentaram uma proporção próxima de 1:1:1 de amido, fibras e açúcares.

Todos os resíduos apresentaram uma elevada concentração de açúcares totais, sendo 26,02% no T1, 32,93% no T2, 27,16% no T3, 26,08% no T4 e 26,50% no tratamento T5. Os altos níveis de açúcares devem-se principalmente ao hidrolisado retido no resíduo após a prensagem. Uma possibilidade para a redução do teor de açúcares seria a lavagem do resíduo, contudo, o leve sabor adocicado é bastante interessante na formulação de produtos para o café da manhã.

Quanto a energia metabolizável aparente (EM) dos resíduos nos diferentes tratamentos, os valores calculados são: cerca de 2,25Kcal/g no tratamento T1, 2,74Kcal/g no T2, 2,56Kcal/g no T3, 2,23Kcal/g no T4 e 2,16Kcal/g no tratamento T5.

LOCKHART [11], 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.

Os resultados obtidos demonstraram que os resíduos fibrosos finais apresentaram boas características para aplicação como base de produtos dietéticos ricos em fibras insolúveis.

3.6 – Rendimento do processo

A análise do balanço de massa dos diferentes tratamentos mostrou que cerca de 90% do amido inicial foi hidrolisado nos tratamentos T4 e T5 (Figura 16).


Quanto aos acúcares, o tratamento T1 apresentou rendimento de 67,8% em relação ao teórico, no tratamento T2 obteve-se um rendimento de 84,5%, no T3 80,8%, no T4 89,55% e no tratamento T5 o rendimento foi de 90,9%, sendo que em todos os tratamentos parte destes açúcares ficaram retidos nos resíduos fibrosos finais.

LEONEL & CEREDA [8], obtiveram um rendimento de 86% de açúcares totais em relação ao teórico utilizando pectinase como auxiliar na concentração do tratamento T4.

3.7 – Análise de custos da produção de álcool fino de farelo de mandioca

Para a análise considerou-se o uso da pectinase como enzima complementar às amilases na concentração de 8Kg/t fibras (T4) e o uso do farelo prensado (Farelo 02), visto a maior facilidade de transporte.

Com relação ao preço das enzimas, estes variam bastante de acordo com o volume comprado e também com o dólar. De acordo com as informações concedidas pela Novo Nordisk S/A (1999), os produtos Termamyl 120L e AMG 300L têm um preço médio de R$ 13,00 e o produto Pectinex Ultra SP-L de R$ 65,00.

A análise de custos do processo demonstrou ser viável o uso do farelo como matéria-prima para produção de álcool fino, utilizando-se a pectinase juntamente com as amilases, sendo vendido o resíduo como fonte de fibras insolúveis e a vinhaça para a fertirrigação e alimentação animal (Quadro 04).


Os agronegócios mandioqueiros no Brasil rendem anualmente algo em torno de U$ 2,5 bilhões e mais de 1 milhão de empregos diretos, numa média de investimentos de U$ 2,5 mil/emprego/ano. A implementação da indústria com um aproveitamento eficiente de seus resíduos, além de ampliar o setor com novos produtos, possibilita a geração de novos empregos.

4 — CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos foi possível concluir que o uso da pectinase em conjunto com as amilases no processo de obtenção do hidrolisado para produção de etanol a partir de farelo promoveu aumento significativo no rendimento em açúcares, sendo que a concentração mínima de pectinase que promoveu efeito significativo sobre o rendimento do processo de hidrólise-sacarificação do farelo foi 8Kg/t de fibras. Quanto ao resíduo fibroso, este apresenta potencialidade de aproveitamento com base para produtos dietéticos ricos em fibras.

5 — REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6 — AGRADECIMENTOS

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo financiamento da pesquisa, as Indústrias Halotek Fadel S/A e Agroindustrial Tartumã pela concessão do resíduo e informações concedidas e a Novo Nordisk pela concessão das enzimas.

2 Pesquisadora Doutora – Centro de Raízes e Amidos Tropicais/UNESP – Botucatu - SP. Caixa Postal 237, CEP 18603-970 e-mail:seccerat@fca.unesp.br

3 Profa. Titular – CERAT/UNESP – Botucatu-SP.

* A quem a correspondência deve ser enviada.

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    Recebido para publicação em 21/12/99. Aceito para publicação em 03/10/00.
  • **
    Fadel, V. Halotek Fadel S/A, Palmital - SP, informação pessoal, 1999.
  • Datas de Publicação

    • Publicação nesta coleção
      20 Abr 2001
    • Data do Fascículo
      Ago 2000

    Histórico

    • Aceito
      03 Out 2000
    • Recebido
      21 Dez 1999
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