Desenvolvimento de novos produtos a partir de modificações de lignina kraft via catálise enzimática utilizando lacase

Orientador: Dr. Washington Luiz Esteves MagalhãesCoorientador: Dra. Patrícia Raquel Silva ZanoniTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais – PIPE. Defesa : Curitiba, 07/03/2022Inclui referênciasResumo: A lignina é um polímero natural aromático fenilpropanóide, encontrado nos vegetais. Apesar de possuir características únicas, a maior parte da lignina é queimada para gerar energia. Para potencializar as aplicações da lignina é necessário superar a sua heterogeneidade gerando modificações estruturais. Uma opção é uma rota biotecnológica utilizando a enzima lacase. A enzima gera radicais que aumentam a reatividade das moléculas de lignina. Como resultado, uma grande variedade de novos compostos com propriedades distintas podem ser obtidos. Um entrave para o emprego das enzimas é o seu alto custo, assim, a imobilização em um substrato é uma melhoria significativa, que permite a reutilização da enzima. A celulose nanoestruturada é uma opção de substrato com baixo custo, facilidade de produção, renovável e biodegradável. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta processos de modificações de lignina via catálise enzimática com a enzima lacase comercial de Myceliophthora thermophila, em meios reacionais com até 60% de etanol, visando à geração de novos produtos de alto valor à base de lignina kraft. Além disso propõe a imobilização de lacase em nanofibrilas de celulose em suspensão obtidas por desfibrilação mecânica, visando à recuperação da enzima do meio reacional catalítico, diminuindo os custos de produção em processos envolvendo enzimas. Os principais resultados mostraram maior processo de oligomerização da lignina em meios reacionais com maior teor de álcool etílico, apesar da menor atividade enzimática. A maior solubilização do substrato no meio reacional intensificou a ação da enzima. A amostra obtida em meio reacional com 60% de etanol teve um aumento da média ponderada das massas moleculares de 5,8 vezes em relação a lignina solúvel em etanol, além de apresentar redução na atividade antioxidante, e redução na proporção de unidades siringil. As amostras de lignina obtidas em meio reacional com tampão acetato de sódio pH 4,5 e com 60% de etanol não apresentaram resultados de irritação cutânea, no teste de viabilidade celular, podendo ser utilizadas em produtos de saúde humana. As amostras de lignina apresentaram fator de proteção solar de até 30, podendo ser aplicadas como protetores solares, ou adicionadas em fotoprotetores comerciais. A imobilização da enzima lacase em suspensão de nanofibrilas de celulose apresentou rendimento de até 88 %, sendo viável para recuperação da enzima no meio reacional. Entretanto, a análise de reuso e o estudo cinético sugerem que o processo não conferiu satisfatória estabilidade operacional. A lacase imobilizada em nanocelulose apesar da redução da atividade pode ser recuperada e reutilizada até 4 vezes com a devida correção da massa aplicada na reação a partir da atividade apresentada.Abstract: Lignin is a natural aromatic phenylpropanoid polymer found in vegetables. Despite its unique characteristics, most of the lignin is burned to generate energy. To enhance lignin applications, it is necessary to overcome its heterogeneity by generating structural changes. One option is a biotechnological route using the laccase enzyme. The enzyme generates radicals that increase the reactivity of lignin molecules. As a result, a wide variety of new compounds with distinct properties can be obtained. An obstacle to the use of laccase enzymes is their high cost, so immobilization on a substrate is a desirable development as it would allow the enzyme to be reused several times. Nanostructured cellulose is a substrate option due to its low cost, ease of production by mechanical defibrillation, renewable and biodegradable. In this context, the present work presents processes of lignin modifications via enzymatic catalysis with the Myceliophthora thermophila laccase enzyme, in reaction media with up to 60% ethanol, aiming at the generation of new high-value products based on kraft lignin. Furthermore, it proposes the immobilization of laccases in suspended cellulose nanofibrils obtained by mechanical defibrillation, aiming at their recovery from the catalytic reaction medium, reducing production costs in processes involving enzymes. The main results showed a higher lignin oligomerization process in reaction media with higher ethyl alcohol content, despite the lower enzymatic activity. The greater solubilization of the substrate in the reaction medium intensified the action of the enzyme. The sample in reaction medium with 60% ethanol had an increase in the weighted average of the molecular masses of 5.8 times compared to soluble lignin in ethanol, in addition to showing a reduction in antioxidant activity, and a reduction in the proportion of siringil units. The samples did not present skin irritation results in the cell viability test and can be used in human health products. The lignin samples showed a sun protection factor of up to 30, which can be applied as sunscreens, or added to commercial sunscreens. The immobilization of the laccase enzyme in suspension of vegetable cellulose nanofibrils showed a yield of up to 88%, being viable for recovery of the enzyme in the reaction medium. However, the reuse analysis and the kinetic study suggest that the process did not provide satisfactory operational stability. The laccase immobilized on nanocellulose, despite the reduction in activity, can be recovered and reused up to 4 times with due correction of the mass applied in the reaction from the activity presented