Resumen de Autohydrolysis Of Agricultural By-Products For The Production Of Xylo-Oligosaccharides.
Debora Alcida Nabarlatz
Lignocellulosic biomass is a fully renewable resource that can be used as raw material for the production of a wide variety of ompounds, such as biomass-derived fuels, power, chemicals or materials. In the present research, agricultural residues typical from the Mediterranean region of Spain, were used for the production of xylo-oligosaccharides with potential applications in the food and pharmaceutical field.
Autohydrolysis reaction was tested at several temperatures and reaction times to produce these xylo-oligosaccharides. It was found that the increase in the temperature and longer reaction times increased the depolymerization of xylan and the fomation of low molar mass products. Cellulose and lignin remained quantitatively in the solid, which suggests that the solid residue could be used to recover them in a subsequent step. The maximal yield of xylo-oligosaccharides was around 63 wt% for almond shells at 190°C and 19 min of reaction. The molar mass distribution of the products was very broad (between 100 to 106 g/mol), and was strongly dependent on the reaction conditions and the raw material used.
All the xylo-oligosaccharides obtained by autohydrolysis reaction showed structural features of a partially O-acetylated 4-O-methylglucuronoxylan with different degrees of substitution depending on the raw material where they came from.
Several purification methods were tested for the removal of impurities and/or separation in different molecular weight fractions. The precipitation using a non solvent allowed to recover between 85% and 95% of the theoretical 1 xylo-oligosaccharides for corncobs and almond shells, respectively, obtained at 169°C and 25 min of reaction. The yield of product precipitated tended to be much lower at higher reactions times, since the low molar mass oligomers and monomers were soluble in the ethanol-water mixture.
The ultrafiltration using polymeric membranes seems the most promising method for the removal of low molar mass impurities, and also for the separation in different molecular weight fractions. The results obtained demonstrated that the 1 kDa membrane was the more selective for the removal of lignin-derived impurities. It was also observed that the increase in the pressure of operation decrease the selectivity, and for this reason the membranes should be operated at low pressure to maximize it, although this will imply a larger area for the same flow rate of permeate.
The adsorption of impurities on activated carbons was tested, and it was higher for lignin-related products than for xylo-oligosaccharides. The retention for lignin-derived products was limited because part of them seemed to be linked to the xylo-oligosaccharides.
Preliminary results obtained with the experiments using enzymatic membrane reactors showed that is possible to depolymerize dexrans and separate dextran oligomers in only one step, which suggest that the same treatment could be applied for the production of low molar mass xylo-oligosaccharides useful for food applications.
The antioxidant activity was measured for the different xylo-oligosaccharides obtained, and it was higher for xylo-oligosaccharides from corncobs and olive stones. It was found that all of them have a strong antioxidant activity compared with natural products, making them potential candidates for their use as food additives.
Preliminary results about the immunomodulatory activity of xylo-oligosaccharides from almond shells demonstrated that they showed dose-dependent direct mitogenic as well as comitogenic activities, similarly as the 2 immunogenic water-soluble arabinoglucuronoxylan from corncobs used as positive control. The activities in the whole doses range were about 30% lower in comparison to the control. Further studies have to be done in the possible applications of these xylo-oligosaccharides, determining the corresponding combination of reaction/separation process to obtain the required product.
RESUMEN DE LA TESIS TITULADA AUTOHIDRÓLISIS DE RESIDUOS PROCEDENTES DE LA AGRICULTURA PARA LA PRODUCCIÓN DE XILO-OLIGOSACÁRIDOS DÉBORA A. NABARLATZ La biomasa lignocelulósica es un recurso completamente renovable, que está cobrando cada vez mayor importancia debido a que puede ser utilizado para la producción de una amplia variedad de comuestos, tales como biocombustibles, biopolímeros, etc. Para esta tesis, se han utilizado diversos residuos procedentes de cultivos agrícolas (típicos de la región del Mediterráneo en España), con el objetivo de producir xilo-oligosacáridos con potencial aplicación en la industria alimentaria y farmacéutica.
Se propuso una etapa de reacción basada en la autohidrólisis para la producción de los xilo-oligosacáridos. Se estudió el efecto de los parámetros de reacción en las características de los xilo-oligosacáridos obtenidos, observándose que el incremento en la temperatura de reacción junto con tiempos de reacción más largos, aumentan el grado de depolimerización del xilano y la formación de productos de bajo peso molecular. La celulosa y la lignina permanecen en el sólido, lo que sugiere que dicho residuo sólido puede ser recuperado y utilizado en una etapa subsiguiente para la producción de otroscomponentes. El máximo rendimiento de xilo-oligosacáridos es alrededor del 63% (peso/peso) para la cáscara de almendra a 190ºC y 19 min de reacción. La distribución de masa molar de los productos (xilo-oligosacáridos, monómeros y productos de bajo peso molecular) es muy amplia (entre 100 a 106 g/mol), siendo ésta fuertemente dependiente de las condiciones de reacción, y del material original utilizado.
1 La estructura química de los xilo-oligosacáridos obtenidos es la misma para todos los residuos agrícolas estudiados, siendo en todos los casos del tipo 4-O-metil-glucuronoxilano parcialmente acetilado, con diferentes grados de sustitución dependiendo de la especie de origen.
Se evaluaron también diversos métodos de purificación con el objetivo de remover el material de bajo peso molecular, y/o separar en fracciones de diferente peso molecular. La precipitación con un no solvente (etanol) permite recuperar entre el 85% y el 95% (para marlos de maíz y cáscara de almendra, respectivamente) de la cantidad teórica presente en la solución, obtenida a 169ºC y 25 min de reacción. El rendimiento del producto precipitado disminuye considerablemente a tiempos de reacción mayores, debido a que los oligómeros de bajo peso molecular junto con los monómeros permanecen solubles en la mezcla etanol-agua.
La ultrafiltración con membranas poliméricas parece el método más prometedor para la eliminación de impurezas de bajo peso moleular. Los resultados demuestran que la membrana con MWCO 1 kDa es la más selectiva para la eliminación de las impurezas derivadas delignina.
La adsorción de impurezas en carbones activados comerciales también fue evaluada. Se pudo observar que la adsorción es mayor para los productos derivados de lignina y las impurezas de bajo peso molecular que ara los xilo-oligosacáridos. La retención para los compuestos derivados de la lignina se ve limitada porque parte de ellos parecen estar enlazados a los xio-oligosacáridos.
Se han realizado algunos estudios para evaluar las posibles aplicaciones de los xilo-oligosacáridos obtenidos. Con este propósito, se determinó su actividad antioxidante, encontrando que los procedentes del hueso de oliva o marlos de maíz tenían la mayor actividad antioxidante. Esta actividad es muy alta si se la compara con la actividad antioxidante de frutos naturales, lo que hace a estos xilo-oligosacáridos candidatos potenciales para su uso como aditivos alimentarios. En un estudio diferente, se evaluó la actividad inmuno- 2 modulatoria de los xilo-oligosacáridos procedentes de la cáscara de almendra. Se encontró que estos xilo-oligosacáridos poseen actividad, tanto mitogénica como comitogénica, siendo ésta un 30% menor comparada con la del control.
En el futuro, otros estudios deberían llevarse a cabo sobre las posibles aplicaciones de estos xilo-oligosacáridos, determinando la combinación correspondiente de los pasos de reacción y purificación de acuerdo al producto requerido.
