PT116165B

PT116165B - Processo de produção de xilooligossacarídeos xos a partir de pasta kraft de eucalyptus globulus

Info

Publication number: PT116165B
Application number: PT116165A
Authority: PT
Inventors: Paulo Mendes De Sousa Antonio; Maria De Figueiredo Brites Alves Ana; De Lurdes Dos Santos Serrano Maria; Isabel Antunes Henriques Patrícia
Original assignee: Inst Superior Tecnico; Raiz Instituto De Investig Da Floresta E Papel
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2022-03-31
Also published as: PT116165A; EP3969624B1; EP3969624A1; WO2021181239A1

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM PROCESSO DE PRODUÇÃO DE XILOOLIGOSSACARÍDEOS XOS A PARTIR DO FILTRADO ALCALINO DE PASTA KRAFT DE EUCALYPTUS GLOBULUS QUE ENVOLVE, APENAS, UM PASSO DIRETO DE HIDRÓLISE ÁCIDA USANDO ÁCIDO NÍTRICO, A CONDIÇÕES DE TEMPERATURA E DE PH MODERADAS E COM BAIXOS TEMPOS DE REAÇÃO. ATRAVÉS DESTE PROCESSO É POSSÍVEL A OBTENÇÃO DE UMA SOLUÇÃO CONTENDO XOS COM UMA DISTRIBUIÇÃO POLIMÉRICA DE ACORDO COM O DESEJADO PARA A OBTENÇÃO DAS SUAS PROPRIEDADES NUTRACÊUTICAS E APENAS COM XILOSE COMO SUBPRODUTO.

Description

Quando comparada às tecnologias mais conservadoras e no que diz respeito a fatores de sustentabilidade e ambientais, a nanofiltração (NF) apresenta-se como vantajosa (Córdova et al. , 2019) .

Akpinar et al. , 2010, para a mesma temperatura de 100°C e um tempo de reação de 30 minutos, apenas conseguiram um rendimento máximo de 13% com uma hidrólise ácida de xilana sólida usando ácido sulfúrico 0,25 M. Chen et al., 2018, no entanto, atingiram um rendimento de 30%, novamente com ácido sulfúrico (0,3%), mas a 120°C e 2 horas de reação. Wang et al. , 2018 e Zhang et al. , 2017, conseguem obter rendimentos superiores a 45%, embora também com temperaturas mais elevadas, de 120 e 140°C, respectivamente, e com os ácidos sulfúrico (1%) e acético (20%) .

Uma análise de publicações científicas anteriores mostra que a maioria dos estudos sobre hidrólise ácida de material linhocelulósico usa ácido sulfúrico (Akpinar et al., 2010; Chen et al., 2018; Wang et al., 2018) . No entanto, o uso de ácido nítrico apresenta uma vantagem relevante quando se perspetiva uma purificação subsequente de XOS por nanofiltração. A rejeição a sulfatos, usando nanofiltração, é geralmente superior a 90%, enquanto que para os sais monovalentes do ácido nítrico (nitratos) as rejeições reportadas são muito menores. Usando nanofiltração, é expectável que nitratos e outros iões monovalentes em solução permeiem junto com os outros contaminantes, enquanto os XOS permanecem principalmente no concentrado. Além disso, supondo que a maior parte da xilose seja também separada por nanofiltração, resulta num processo mais económico, pois apenas seria necessária uma etapa de purificação para remover sais e XI.

Para algumas condições experimentais, o filtrado alcalino foi ultrafiltrado, com o principal objetivo agora, de examinar se os resultados da hidrólise ácida seriam os mesmos para um filtrado alcalino tal qual ou para um concentrado.

Para um fator de concentração de 2,5, os fluxos de permeado permaneceram estáveis durante os ensaios de ultrafiltração, com um valor médio de 35 L/h.m². As rejeições da membrana,

Tabela 3 - Resumo dos rendimentos em XOS com os respectivos tempos e rendimentos em xilose.

T (°C)	pH = 0.5	pH = 1.0	pH = 1.5
³ XOS XI (h)	³ XOS XI (h)	XOS XI (h)
100 0 5 ³⁰·² ± ²⁴·⁴ ± 2.2% 5.0% 95 0 5 ¹⁸·⁸ ± ¹³·⁹ ± 0.2% 3.4% 16.0 ± 13.7 ± ^{85 2-5} 2.4% 4.1% 70 5 0 ⁴·⁷ ± ^K2 ± 0.9% 0.7%	28.2 ± 19.1 ± ^1-3 2.8% 2.2% ₄ o ²¹·⁴ ± ²³·⁶ ± 1.4% 2.9% 10.1 ± 4.1 ± 1.9% 1.3%	14.0 ± 9.3 ± ^4-3 0.6% 2.8%

Para as condições experimentais desta invenção, com pH de 0,5, uma temperatura de 100°C e um tempo de reação de 30 minutos, um rendimento em XOS de 30,2% é obtido. É também observado que a quantidade de xilose presente na mistura de XOS é consideravelmente alta, 45% (Figura 2-B). Como previamente mencionado, a análise por HPLC das amostras de hidrólise ácida não mostrou produtos secundários, como furfural ou HMF, sendo a xilose o único produto adicional aos XOS, cujas purezas comerciais relatadas se encontram entre 75 e 95% (Moure et al., 2006) .

Existe interesse na remoção da xilose produzida adicionando uma etapa de purificação após a hidrólise ácida. Por um lado, devido à presença de grandes quantidades de xilose em aplicações alimentares ser indesejada (<12%, EDA, 2019), por ser cariogénica e não adequada para diabéticos (Córdova et al., 2019) . Por outro lado, esta xilose produzida é uma matéria-prima de alto valor sendo possível a sua conversão em diferentes produtos de valor acrescentado como, por exemplo, furfural. O facto do processo descrito nesta invenção possibilitar a obtenção de uma solução de XOS e xilose, sem os produtos comuns de degradação, permite uma separação simples da xilose para uso em diferentes processos para a sua conversão em novos produtos.

Diferentes meios de purificação podem ser usados, isoladamente ou vários, complementares entre si, como extração e precipitação com solventes, adsorção em carvão ativado e processos com membranas.

verificado, no entanto, para ambas as temperaturas, que ocorre uma estabilização para quantidades diferentes de xilose: a produção máxima de XI é maior para 100°C. Tal observação está de acordo com a maior produção de XOS que, por sua vez, se decompõem em xilose.

Para pH 1,0 e 100°C (Figura 3-B), existe também uma tendência para a estabilização do rendimento em xilose, contudo muito menos pronunciada. À semelhança da formação de XOS, a cinética da reação para a produção de XI é mais lenta para as temperaturas mais baixas.

O aparecimento de produtos de degradação indesejados, como, por exemplo, furfural e HMF, tem sido um dos principais argumentos recorrentemente usado contra a hidrólise ácida de materiais linhocelulósicos (Akpinar et al. , 2010; Zhang et al., 2017) . No entanto, para todas as condições experimentais desta invenção, nenhum desses produtos de degradação secundária foi detectado na análise por HPLC.

A Figura 4 representa a influência do pH na produção de XOS (A) e xilose (B) para 100°C. A formação de ambos os compostos diminui à medida que o pH aumenta. Para pH 0,5 e 1,0, os rendimentos máximos em XOS são alcançados em 30 minutos e 1 hora, respectivamente. A formação de xilose atinge uma estabilização mais rápida para o pH mais baixo.

Embora exista um atraso entre os rendimentos máximos obtidos para pH 0,5 e 1,0, os seus valores diferem apenas em 2%. Os DP's representados na Figura 2 são também semelhantes para ambos os valores de pH.

Os XOS mais abundantes, X2 e X3, juntos representam 40% e 41% do total produzido, para pH 0,5 e 1,0, respectivamente. X4 representa 9% e 11%, X5 - X6 apenas 6% e 8%, e a quantidade de xilose é superior a 40% em ambos os casos. Os mesmos resultados podem ser alcançados em apenas 30 minutos, para pH 0,5. Além disso, tempos de reação curtos são um requisito importante do ponto de vista da aplicação industrial.

Os rendimentos em XOS obtidos estão resumidos na Tabela 3, com os respectivos tempos e rendimentos em xilose para o mesmo tempo de reação.

0,5 (A) e 1,0 (B) . Os resultados mostram um máximo de rendimento para a temperatura de 100°C: 30,2% (30 min) para pH 0,5 e 28,2% (lh30) para pH 1,0. Para uma temperatura de 95 °C, os valores de rendimento são de 18,8% (pH 0,5; 30 min) e 21,4% (pH 1,0; 4h). Para as temperaturas de 85°C e 95°C e pH 0,5, foram obtidos rendimentos semelhantes, de cerca de 16,0%, sendo necessário duas horas adicionais para o caso dos 85°C.

Para todas as temperaturas a pH 1,0, uma ampla gama de graus de polimerização, DP's, dos XOS, de X2-X6, é obtida durante a reação de cinco horas, sempre com predominância de X2 e X3. A quantidade de XOS com graus poliméricos mais altos diminui com o tempo, como se pode observar para a temperatura de 100°C na Figura 2-A, onde a distribuição de DP's de XI a X6 é representada. Ao fim de 3 horas, a quantidade total de X4, X5 e X6 torna-se residual (<4%).

Para pH 0,5, o intervalo de X2 a X6 foi obtido durante toda a reação para as temperaturas mais baixas, de 70 e 85°C. Para 100°C, Figura 2-B, após se atingir o rendimento máximo, aos 30 minutos, houve um rápido desaparecimento dos DP's mais altos dos XOS. Após 1 hora de reação, havia apenas xilobiose a xilopentaose, tendo esta última desaparecido ao fim de mais 30 minutos de reação. Decorridas 3 horas, restava apenas X2 que, porém, desapareceu completamente após 4 horas. Comparando com uma temperatura ligeiramente mais baixa de 95°C, na Figura 2-C, observa-se também uma perda dos DP' s mais altos durante a reação, embora mais lentamente, seguindo a ordem correta: X6, X5, X4, X3 e X2 desapareceram após 1,5 a 5 horas, respectivamente.

Quando um rendimento máximo em XOS é alcançado antes das 5 horas (Figura 1), o rendimento em XI, apresentado na Figura 3, supera o rendimento em XOS logo após esse máximo, uma vez que os XOS se partem em graus poliméricos mais baixos e em xilose. Adicionalmente há uma estabilização da produção de XI após algum tempo.

Para pH 0,5 (Figura 3-A) e temperaturas de 95 e 100°C, a quantidade de XI é constante após 2 horas, provavelmente devido ao fato da quantidade de XOS disponível para conversão ser pequena após esse período de tempo. É ainda calculados na faixa de 76 calculada é usada para hidrólise ácida, de acordo 2 .

a 83%. A quantidade de xilanas normalizar os resultados da com o descrito nas Equações 1 e

Ultrafiltração, em modo descontínuo, com uma pressão transmembranar constante de 5 bar é usada para concentrar o filtrado alcalino. Os fatores de rejeição e de concentração da membrana (FC) são determinados através do cálculo do carbono orgânico total (COT).

filtrado alcalino é acidificado com ácido nítrico para valores de pH entre 0,5 e 1,5 e a suspensão resultante é aquecida e agitada (100 rpm) a temperatura constante (ver Tabela 2) até 5 horas num reator revestido a óleo. O controlo de temperatura é efectuado por um termómetro eletrónico de contato VT-5 da VWR (± 0,2°C) . A Tabela 2 apresenta as condições experimentais consideradas no que diz respeito ao pH e temperatura da reação. As amostras são recolhidas a cada 30 minutos, neutralizadas com uma solução de NaOH e analisadas por HPLC (Cromatografia a Líquido de Alto Desempenho) para quantificação de XOS e produtos de degradação.

Após o final da reação a suspensão é centrifugada obtendose um precipitado sólido e um sobrenadante. O sobrenadante é analisado por HPLC e o precipitado seco a 60°C e, em seguida, analisado quanto ao seu teor de pentosanas.

Tabela 2 - Condições experimentais da hidrólise ácida.

Condições	Experimentais da	Hidrólise Ácida
Temperatura (°C)	70 85	95	100
	0.5 0.5	0.5	0.5
pH	1.0	1.0	1.0
			1.5

Na Figura 1 é apresentada a comparação do rendimento em XOS para diferentes temperaturas e para valores fixos de pH de onde Cp e Cb (mg de carbono / L) são as concentrações do permeado e da alimentação, respectivamente.

Exemplo

Pastas Kraft branqueadas (dois lotes) de Eucalyptus globulus foram analisadas quanto ao seu teor em pentosanas e cinzas, cujos resultados se encontram na Tabela 1.

Tabela 1 - Característícas das pastas branqueadas de Eucalipto.

	Pentosanas	Cinzas
Pasta 1	20.9 ± 0.2	0.28 ± 0.01
Pasta 2	21.4 ± 0.4	0.25 ± 0.01

Soluções padrão de XOS com diferentes graus de polimerização (DP), xilobiose (X2), xilotriose (X3) , xilotetraose (X4), xilopentaose (X5) e xilohexaose (X6) foram adquiridas através da Megazyme, Irlanda. Os restantes reagentes químicos, incluindo xilose (XI)> 99%, ácido nítrico (HNO3) 65% e hidróxido de sódio (NaOH) 99%, foram adquiridos da Sigma-Aldrich Company, EUA.

Membranas GR90PP da Alfa Lavai, com um limite de peso molecular de 5 kDa, são usadas nos procedimentos de ultrafiltração (UF).

A pasta é inicialmente suspensa numa solução de NaOH a 10% (m/m) , com uma consistência de 5% (g de pasta / g de solução total), e agitada durante 1 hora a 25°C. A suspensão é de seguida submetida a uma filtração a vácuo, originando uma pasta exausta e um filtrado alcalino, contendo xilanas. A pasta exausta é lavada, seca a 60°C e posteriormente analisada quanto ao teor de humidade, pentosanas e cinzas. A pasta exausta pode ser posteriormente convertida em pasta solúvel, um produto secundário de alto valor acrescentado.

Através da comparação da quantidade inicial e final de pentosanas na pasta, rendimentos de extração de xilanas são xilose das amostras por um fator constante de 0,88 obtém-se o conteúdo correspondente em pentosanas.

• Análise HPLC

Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC) para quantificação de XOS, açúcares neutros e produtos de degradação é utilizada para análise das amostras da hidrólise ácida, fazendo-as passar por um filtro de seringa de 0,2 pm. Os XOS foram eluídos com água mili-Q a 70°C e a 0,2 mL / min usando uma coluna Aminex HPX 42A da Biorad® e um detector de índice de refração (RI) modelo 133 Gilson. Os XOS são quantificados apenas em termos de xilobioses a xilohexaoses. Os restantes produtos são eluídos com ácido sulfúrico 5 mM a 50°C e a 0,2 mL / min, utilizando uma coluna Aminex HPX 87H da Biorad® e um detector RI modelo 2142 LKB Bromma. O limite de detecção é de 1 0,05 g / L.

Tendo em conta que a quantidade de xilanas obtida no filtrado difere para cada ensaio experimental, após a análise por HPLC os rendimentos em XOS e xilose foram normalizados pelas equações apresentadas:

XOS rendimento (%) massa de (X₂ + X₃ + X₄ + X₅ + ^)(^) massa de xilanas no filtrado alcalino (g) x 100

Equação 1 massa de xilose (g)

Xilose rendimento (%) =------------------—-------—----x 100 massa de xilanas no filtrado alcalino çg)

Equação 2

Carbono Orgânico Total (COT)

No que diz respeito à concentração do filtrado alcalino por ultrafiltração, a rejeição da membrana (R) é calculada por medições de COT, comparando a concentração da alimentação e do permeado de acordo com a seguinte equação:

R = l^cp c_b

Equação 3

Descrição Detalhada da Invenção

Descrição das Figuras

Figura 1. Rendimento em XOS em função do tempo para pH 0,5 (A) e 1,0 (B)a diferentes temperaturas.

Figura 2. Distribuição dos graus de polimerização (DP's) de XI a X6 durante as reações de pH 1,0 e 100°C (A); pH 0,5 e 100°C (B) e 95°C (C).

Figura 3. Rendimento em xilose em função do tempo para pH 0,5 (A) e 1,0 (B) a diferentes temperaturas.

Figura 4 - Rendimento em XOS (A) e xilose (B) em função do tempo a 100°C e diferentes valores de pH.

Figura 5 - Rendimento em XOS (A) e xilose (B) em função do tempo a 100°C, pH 0,5 e diferentes concentrações de xilanas.

Para a descrição da invenção em causa diferentes métodos analíticos são de seguida elencados:

• Humidade e Cinzas

As metodologias mencionadas nas normas TAPPI T 412 om-11, 2011 e TAPPI T211 om-02, 2002, foram usadas de modo a quantificar o teor de humidade e cinzas das pastas antes e após a extração alcalina, respectivamente.

• Teor de Pentosanas

Uma hidrólise ácida para análise de hidratos de carbono (Selvendran et al. , 1979; Shatalov et al. , 1999) é realizada para a quantificação das xilanas da pasta (antes e após extração) e do precipitado final da hidrólise ácida, através do conteúdo em pentosanas. Hidratos de carbono são submetidos a um tratamento com 400 pL de ácido sulfúrico 72% (m / m) a 25°C durante 3 horas, seguido de diluição com 4,4 mL de água destilada a 100°C durante 2,5 horas. As quantidades de xilose das amostras resultantes são determinadas através da análise por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC). Ao multiplicar as quantidades de

A hidrólise ácida da invenção descrita neste documento ocorre a pHs entre 0,5 e 1,5 e a temperaturas entre os 70 e os 100 °C. Preferencialmente a reação decorre a um pH de 0,5 a 1 e a temperaturas entre os 85 e os 100 °C. Numa forma ainda mais preferencial da invenção em causa, a reação de hidrólise ácida decorre a um pH de 0,5 e a uma temperatura de 100 °C.

Mais de 30% em massa de XOS/xilanas, com uma elevada e desejada formação de X2 e X3 (> 40%) e sem subprodutos de degradação de açúcares, são obtidos em 30 minutos a 100°C e pH 0,5.

Para além do passo único de hidrólise ácida do filtrado da extração alcalina da pasta Kraft branqueada esta invenção considera ainda passos preferenciais prévios e posteriores, que permitem um conjunto e sequência de operações unitárias com vantagens adicionais e complementares ao passo único de hidrólise ácida com ácido nítrico descrito nesta invenção. Nomeadamente, uma concentração prévia, por ultrafiltração, do filtrado alcalino, permite uma diminuição do consumo de NaOH e HNO3 no pré-tratamento alcalino e na hidrólise ácida, respectivamente. A possível purificação subsequente da solução de XOS por nanofiltração apresenta valores baixos de rejeições aos sais de ácido nítrico, uma vez que, estes sais monovalentes (nitratos) e outros iões monovalentes em solução permeiam junto com os outros contaminantes, permanecendo os XOS maioritariamente no concentrado final. Este passo de nanofiltração pode ser considerado como uma pré-purificação complementada com outras técnicas de purificação como, por exemplo, uma precipitação com solventes.

O uso do filtrado da extração alcalina da pasta Kraft branqueada de Eucalyptus globulus, como substrato para a hidrólise ácida, traz várias vantagens ao processo. Por um lado, este material não contém lenhina que, quando presente, representa uma dificuldade acrescida para a produção de XOS. Além disso, também apresenta a vantagem de evitar todo o processo de isolamento, precipitação e purificação das xilanas e, portanto, os seus custos associados.

invenção pretende colmatar esta falha das técnicas anteriores.

Descrição da invenção

Sumário da Invenção

A invenção descrita neste documento refere-se a um processo de produção de XOS a partir do filtrado, resultante de uma extração alcalina da pasta Kraft de Eucalyptus globulus, envolvendo um passo direto de hidrólise ácida usando ácido nítrico. Após a extração alcalina, e previamente à hidrólise ácida, é levada a cabo uma concentração do filtrado alcalino por ultrafiltração.

Um outro aspecto desta invenção refere-se a uma solução de XOS, obtida pelo método descrito, com uma ampla gama de graus de polimerização, de xilobiose (X2) a xilohexaose (X6) .

processo de produção de XOS desta invenção consiste num passo único, simples, com condições de operação moderadas, que pode decorrer em equipamentos industriais comuns, num curto espaço de tempo, através de uma matéria-prima facilmente acessível, que não compete com recursos alimentares e frequentemente usada para a produção de pasta e papel. Adicionalmente, produtos de degradação indesejados, e característicos deste tipo de processos, como, por exemplo, furfural e HMF, não são encontrados no processo descrito na invenção aqui considerada. Complementarmente, a solução de XOS obtida por este processo contém também xilose (XI), que pode ser posteriormente usada, após a sua separação da solução de XOS obtida pelo processo descrito nesta invenção, de per si ou na produção de outros produtos de alto valor acrescentado, como é o caso do furfural. Assim, o novo processo aqui descrito ao proporcionar a obtenção de uma solução de XOS e de xilose, sem os produtos comuns de degradação, permite uma posterior separação simples da xilose para sua futura conversão em novos produtos de elevado valor acrescentado.

para o fabrico de papel. Entre os processos disponíveis encontra-se o processo Kraft, ou ao sulfato, que usa como reagentes o hidróxido de sódio e o sulfureto de sódio. A pasta de celulose resultante deste processo é designada por pasta Kraft. A pasta Kraft branqueada, produzida a partir de madeira de Eucalyptus globulus, é tão rica em xilanas quanto a madeira original que lhe dá origem (16 a 23%) (Marques et al., 2019; Shatalov et al., 1999), constituindo assim um enorme potencial para a produção de uma grande variedade de produtos de alto valor acrescentado, incluindo XOS, sendo, no entanto, ainda raramente usada (Hakala et al. , 2013; Monrroy et al., 2012; Ohbuchi et al., 2009) .

O documento EP0988402A1 descreve o processo de produção de xilose a partir de uma pasta para papel de uma madeira folhosa, em que um tratamento enzimático é usado para melhorar a qualidade da pasta como fonte de xilanas e, assim, melhorando também os rendimentos obtidos em xilose, nomeadamente através do uso de uma enzima de xilanase.

O documento CN102277761B refere-se à produção de oligossacarídeos e pasta para papel, a partir de resíduos de palha de cultivo agrícola. Este método envolve uma préextração alcalina, seguida de processos com membranas para concentração da solução de xilanas e preparação da solução de xilooligossacarídeos através de reações enzimáticas, concentração a vácuo, liofilização por precipitação e centrifugação.

O documento EP2748341B1 descreve um processo de hidrólise ácida de biomassa linhocelulósica, que permite a obtenção de poucos produtos de degradação. No entanto, este processo decorre a temperaturas altas, até 200°C, e envolve a adição de um sal.

Pela análise às técnicas anteriores verifica-se a inexistência de um processo simples, de um passo único e direto, com condições operatórias moderadas, sem a necessidade de equipamentos especiais, que permita a produção de XOS em quantidades favoráveis a nível industrial, através de uma matéria-prima facilmente acessível em processos de produção frequentemente usados para a produção de pasta e papel. O processo descrito nesta podem, por sua vez, ser removidos através de vários processos de purificação, como extração e precipitação com solventes (Moure et al. , 2006; Swennen et al., 2005), adsorção em carvão activado, processos de cromatografia iónica (Qing et al. , 2013) e processos com membranas. Ao contrário dos últimos, os outros processos apresentam algumas preocupações relativamente à aplicação alimentar, impacto ambiental e execução à escala industrial (Aachary and Prapulla, 2011) . Os processos com membranas têm vindo a ser considerados muito promissores para fraccionar, purificar e concentrar XOS (Córdova et al. , 2019), por apresentarem várias vantagens como: scale-up direto, eficiência energética e condições operatórias facilmente otimizáveis (Patil et al., 2014) . A ultrafiltração (UF) tem sido vastamente utilizada para remover moléculas de maior peso molecular não hidrolisadas (Akpinar et al., 2010; Kumar and Satyanarayana, 2015; Nabarlatz et al., 2007; Swennen et al. , 2005) . Esta pode ser complementada com nanofiltração para separar a xilose e os sais (Hua et al., 2010; Vegas et al., 2006; Yuan et al., 2004), por vezes com diafiltração simultânea (Zhao et al., 2012).

O trabalho de Akpinar e co-autores consiste no uso de caule de tabaco como fonte de xilanas para a produção de XOS, através de uma hidrólise ácida e enzimática. A hidrólise ácida foi levada a cabo através do uso de ácido sulfúrico com um passo final de neutralização com carbonato de cálcio (Akpinar et al. , 2010) . Os resultados caracterizam-se por baixos rendimentos e sugestão do uso de passos adicionais que envolvam a combinação dos dois procedimentos enzimático e ácido. O mesmo ácido foi usado por Chen e seus co-autores (Chen et al. , 2018) para a produção de XOS a partir do licor pré-hidrolisado de um processo Kraft de produção de pasta, sendo necessário o uso de temperaturas altas (120 °C) e tempos de reação de até duas horas, de modo a ser possível uma redução da concentração do ácido sulfúrico usado. O mesmo tipo de resultados foi obtido por Wang e coautores (Wang et al., 2018), isto é, uso de ácido sulfúrico a temperaturas consideravelmente elevadas assim como os tempos de reação necessários.

O sector industrial de pasta para papel utiliza diferentes processos mecânicos e químicos para a remoção de celulose hemiceluloses, e, portanto, as xilanas, mais disponíveis para a sua conversão em XOS (Taha et al., 2016) . O uso de água quente (Batista et al., 2019), explosão induzida por vapor (Bhatia et al., 2020; Silveira et al., 2018) e tratamentos químicos (Quinones et al. , 2015), são os prétratamentos mais comummente relatados na literatura. De entre os tratamentos químicos, o processo alcalino é considerado como um dos mais eficientes em termos de recuperação de xilanas sem a sua degradação (Amorim et al., 2019). Os processos de conversão de xilanas isoladas em XOS são realizados principalmente por auto-hidrólise, procedimentos ácidos ou enzimáticos (ou uma mistura dos dois), sendo que o grau de polimerização dos XOS obtidos e o rendimento da sua conversão depende da natureza da matéria-prima e do seu processamento (Kaprelyants et al., 2017; Wang et al. , 2019) .

A auto-hidrólise requer equipamentos especializados para suportar as altas temperaturas e pressões envolvidas, levando também à produção de outros produtos secundários (Carvalho et al. , 2013; Mazlan et al. , 2019; Samanta et al., 2015), em geral, indesejados.

A hidrólise enzimática, considerada como mais favorável a nível ambiental e adequada para aplicações farmacêuticas e alimentares (Amorim et al., 2019) é, no entanto, um processo complexo com baixas velocidades de reação, baixos rendimentos (Wang et al., 2019) e altos custos associados ao consumo de enzimas.

A hidrólise ácida é negativamente associada à corrosão do equipamento envolvido e à produção de grandes quantidades de xilose e de outros subprodutos como furfural e hidroximetilfurfural (HMF) (Akpinar et al. , 2010; Zhang et al., 2017) . No entanto, apesar dessas desvantagens, este método tem sido amplamente estudado (Akpinar et al., 2010; Chen et al., 2018; Hachem et al., 2017; Wang et al., 2018; Zhang et al. , 2018; Zhang et al. , 2017; Zhou e Xu, 2019), como resultado das suas elevadas velocidades de reação (Wang et al., 2019), da obtenção de uma ampla gama de graus de polimerização, de 2 a 15 (Kaprelyants et al. 2017) e, principalmente, devido à possibilidade de uma produção em grande escala com baixos custos associados. Os subprodutos xilanas (Akpinar et al. , 2010; Cao et al. , 2018; Mafei et al. , 2019; Mazlan et al., 2019; Wen et al., 2019), destacam-se, sendo já produtos certificados como Generally Recognized as Safe (GRAS), isto é, geralmente reconhecidos como seguros pela U.S. Food and Drug Administration, FDA, (FDA, 2019, 2013), assim como também considerados seguros como um novo alimento, de acordo com o regulamento (UE) 2015/2283 da Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) (EFSA, 2018) .

Benefícios importantes dos XOS sobre os galactooligossacarídeos (GOS) e os frutooligossacarídeos (FOS) foram já elencados. Os XOS apresentam, em geral, boas propriedades organolépticas, bem como uma maior estabilidade ao calor e ao pH, propriedades de elevada relevância para as indústrias alimentares (Mano et al., 2018). Dos vários XOS existentes, aqueles com menor grau de polimerização, como a xilobiose (X2) e a xilotriose (X3) , são reportados como os que apresentam maior efeito prébiótico, sendo os mais recomendados para fins alimentares e aplicações nutracêuticas (Moura et al., 2007; Rajagopalan et al., 2017; Singh et al., 2018) .

As xilanas, o tipo de hemiceluloses mais abundantemente disponível na matéria lignocelulósica, podem ser extraídas de uma grande variedade de biomassa lignocelulósica, incluindo vários tipos de madeiras. Os principais componentes poliméricos da biomassa lignocelulósica são a celulose (35-50%), a lenhina (5-30%) e as hemiceluloses (20-35%), sendo as xilanas cerca de 95% destas últimas (Cao et al. , 2018) . As hemiceluloses podem ser constituídas por um mesmo monómero ou por diferentes monossacarídeos, e ter diferentes tamanhos de cadeias e de ramificações. De acordo com o componente monomérico, as hemiceluloses podem se subdividir em xilanas, mananas, glucanas e galactanas (Evtuguin et al. , 2017) . As xilanas, são polímeros das unidades monoméricas, pentoses, ou seja, pentosanas. Estas pentosanas, quando hidrolisadas, resultam essencialmente em xiloses.

A produção de XOS a partir de biomassa linhocelulósica pode ser considerada uma tarefa difícil. Um pré-tratamento é geralmente recomendado para a separação dos diferentes componentes da biomassa linhocelulósica, tornando assim as

DESCRIÇÃO

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE XILOOLIGOSSACARIDEOS (XOS) A PARTIR DE PASTA KRAFT DE EUCALYPTUS GLOBULUS

Área da Invenção

A presente invenção insere-se na área dos processos de produção de xilooligossacarideos (XOS), mais especificamente a um processo que envolve uma hidrólise ácida direta do filtrado alcalino de pasta Kraft de Eucalyptus globulus, com condições experimentais moderadas.

Estado da arte

Em inúmeras publicações cientificas, vários autores têm associado aos prebióticos, e ao seu uso como aditivos alimentares, diversos efeitos benéficos a nivel da saúde física (Binns, 2013; Carlson et al., 2018; Enam e Mansell, 2019; Shortt et al., 2018), e mesmo, mais recentemente, no que diz respeito à saúde mental humana (Appleton, 2018; Cryan et al. , 2019; Kim e Shin, 2018; Kowalski e Mulak, 2019). Efeitos na condição da saúde animal foram também já reportados (Ohbuchi et al., 2010) .

Outro factor significativo e que traduz o interesse recente por estes aditivos alimentares é a enorme dimensão do mercado de prebióticos, com uma taxa composta de crescimento anual prevista de 10,4%, na próxima década, sendo expectável que este mercado atinja os 7,37 bilhões de dólares americanos até 2023 (Markets and Markets, 2018) .

Dois grupos principais constituem os prebióticos mais estudados e utilizados: os frutanos do tipo inulina (inulina, oligofrutose e frutooligossacarídeos (FOS)) e os galactanos (galactooligossacarídeos (GOS)) (Gibson et al., 2017; Roberfroid et al. 2010).

No entanto, a crescente procura por prebióticos levou, tanto o meio académico quanto a indústria, a procurarem novos possíveis candidatos. Destes, os xilooligossacarideos (XOS), um tipo de prebióticos emergentes obtidos das

Claims

1. Processo de produção de xilooligossacarideos caracterizado por compreender os seguintes passos:

concentração de um filtrado alcalino de uma pasta Kraft de Eucalyptus globulus por ultrafiltração;

- hidrólise ácida do filtrado alcalino resultante com ácido nítrico, a pHs entre 0,5 e 1,5 e a temperaturas entre os 70 e os 100 °C;

- purificação da solução de xilooligossacarideos.

2. Processo de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a hidrólise ácida decorrer a pHs de 0,5 a 1 e a temperaturas entre os 85 e os 100 °C.

3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a hidrólise ácida decorrer a um pH de 0,5 e a uma temperatura de 100 °C.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a purificação da solução de xilooligossacarideos compreender uma prépurificação por nanofiltração seguida de uma precipitação com solventes.