Comparación De La Cinética De Remoción De La Lignina De Bagazos De Caña De Azúcar (Saccharum Officinarum) Y Cactácea (Opuntia Ficus-Indica), Utilizando Enzima Lacasa

Resumen

El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto una lacasa proveniente de Aspergillus sp., para exponer la celulosa en los bagazos de caña de azúcar (Saccharum officinarum) (BCA) y cactácea (Opuntia-ficus) (BOF). Para ello, se llevó a cabo la determinación de los parámetros cinéticos de las enzimas en cada uno de los materiales, en términos de velocidades iniciales, a diversas proporciones bagazo:solución (10 g:L a 50 g:L), con un tiempo total de reacción de 1 h. Bajo las condiciones de reacción evaluadas, se evidenció remoción de extraíbles; sin embargo, esto no fue debido a la acción enzimática, sino por efecto del búfer. Por otra parte, no hubo disolución de celulosa ni hemicelulosa, pero sí de lignina. Por lo tanto, los resultados se analizaron teniendo en cuenta la ecuación de Michaelis-Menten, utilizando como base la tasa de desaparición de la proporción g_lignina:L. Por medio de una linealización de Lineweaver-Burk, se obtuvo el mejor ajuste de valores, donde V_max = 14.9566 g_lignina:L y K_m = 40.2011 g_lignina:L/h para el BCA (R = 0.9933) y V_max = 26.8300 g_lignina:L y K_m = 43.5575 g_lignina:L/h para el BOF (R = 0.9972). Con base en lo anterior, aunque la lacasa presentó una afinidad enzimática similar para ambos bagazos, se predice una mejor eficiencia catalítica hacia la remoción de lignina de BOF (0.6160).

Palabras clave

bagazo de caña, bagazo de cactáceas, lignina, celulosa, lacasa, cinética enzimática

Biografía del autor/a

Nubia Rosa Cardona López

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Procesos Ambientalmente Amigables, Avenida Central del Norte 39-115, Tunja, Colombia.

James Alberto Marín

Universidad de Antioquia, Grupo Procesos Químicos Industriales, Calle 67 # 53-108, Medellín, Antioquia.

Óscar Julio Medina Vargas

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación en Química y Tecnología de Alimentos, Avenida Central del Norte 39-115, Tunja, Colombia.

Luis Alberto Ríos

Universidad de Antioquia, Grupo Procesos Químicos Industriales, Calle 67 # 53-108, Medellín, Antioquia.

Gerardo Andrés Caicedo Pineda

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Procesos Ambientalmente Amigables, Avenida Central del Norte 39-115, Tunja, Colombia.

Citas

[1] L. H. C. Mattoso, K. B. R. Teodoro, J. M. Marconcini, T. J. Bondancia, A. C. Corrêa, and E. de M. Teixeira, “Sugarcane bagasse whiskers: Extraction and characterizations,” Ind. Crops Prod., vol. 33, no. 1, p. 63–66, 2010.

[2] K. Cury R, R. Olivero V, L. Chams Ch, Y. Aguas M, and A. Martinez M, “Residuos agroindustriales su impacto, manejo y aprovechamiento,” Rev. Colomb. Cienc. Anim. - RECIA, vol. 9, no. S, p. 122, 2017.

[3] D. M. Escalante H, Orduz J, Zapata J, Cardona M, “Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en Colombia,” Bucaramanga, pp, 150, 2011.

[4] C. Sáenz, E. Sepúlveda, and B. Matsuhiro, “Opuntia sp. mucilage’s: A functional component with industrial perspectives,” J. Arid Environ., vol. 57, no. 3, p. 275–290, 2004.

[5] R. E. Olivero Verbe, Y. del R. Aguas Mendoza, I. D. Mercado Martínez, D. P. Casas Camargo, and L. E. Montes Gazabón, “Utilización de Tuna (opuntia ficus-indica) como coagulante natural en la clarificación de aguas crudas,” Av. Investig. en Ing., vol. 11, no. 1, p. 70, 2014.

[6] B. Mendoza, E. Gómez, E. Hernández, A. Rodríguez, and N. Chavarría, “Elaboración y caracterización de películas biodegradables a partir de mucilago de nopal-caseinato de sodio y mucilago de nopal-pectina,” Ciencias Agroquímicas, Handb., p. 129–136, 2014.

[7] H. Vieyra, U. Figueroa-López, A. Guevara-Morales, B. Vergara-Porras, E. San Martín-Martínez, and M. Á. Aguilar-Mendez, “Optimized Monitoring of Production of Cellulose Nanowhiskers from Opuntia ficus-indica (Nopal Cactus),” Int. J. Polym. Sci., vol. 2015, p. 1–8, 2015.

[8] H. C. Arca, L. I. Mosquera-Giraldo, V. Bi, D. Xu, L. S. Taylor, and K. J. Edgar, “Pharmaceutical Applications of Cellulose Ethers and Cellulose Ether Esters,” Biomacromolecules, vol. 19, no. 7, p. 2351–2376, 2018.

[9] J. Shokri and K. Adibki, “Application of Cellulose and Cellulose Derivatives in Pharmaceutical Industries,” Cellul. - Medical, Pharm. Electron. Appl., p, 47-66, 2013.

[10] M. Patchan et al., “Synthesis and properties of regenerated cellulose-based hydrogels with high strength and transparency for potential use as an ocular bandage,” Mater. Sci. Eng. C, vol. 33, no. 5, p. 3069–3076, 2013.

[11] S. H. Ye, J. Watanabe, Y. Iwasaki, and K. Ishihara, “Antifouling blood purification membrane composed of cellulose acetate and phospholipid polymer,” Biomaterials, vol. 24, no. 23, p. 4143–4152, 2003.

[12] A. L. Buyanov, A. K. Khripunov, A. A. Tkachenko, E. E. Ushakova, and I. V. Gofman, “High-strength biocompatible hydrogels based on poly(acrylamide) and cellulose: Synthesis, mechanical properties and perspectives for use as artificial cartilage,” Polym. Sci. Ser. A, vol. 55, no. 5, p. 302–312, 2013.

[13] M. Iguchi;, S. Yamanaka;, and A. Budhiono;, “Bacterial cellulose - a masterpiece of nature’s arts,” J. Mater. Sci., vol. 35, no. 2, p. 261–270, 2000.

[14] Ş. Ciumpiliac et al., “Modelling of sorbic acid diffusion through bacterial cellulose-based antimicrobial films,” Chem. Pap., vol. 66, no. 2, p. 144–151, 2011.

[15] M. A. Hubbe, D. J. Gardner, and W. Shen, “Wettability of cellulosics,” BioResources, vol. 10, no. 4, p. 8657–8749, 2015.

[16] B. B. Hallac and A. J. Ragauskas, “Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol,” Biofuels, Bioprod. Bioref. vol, 5: pp, 215–225, 2011

[17] S. G. Karp, A. L. Woiciechowski, V. T. Soccol, and C. R. Soccol, “Pretreatment strategies for delignification of sugarcane bagasse: A Review,” Brazilian Arch. Biol. Technol., vol. 56, no. 4, p. 679–689, 2013.

[18] R. Acosta, J. Sanabria, and D. Nabarlatz, “Biomass from colombian agroindustrial activities: Characterization and potential for oligosaccharides production,” Chem. Eng. Trans., vol. 65, p. 667–672, 2018.

[19] D. Watkins, M. Nuruddin, M. Hosur, A. Tcherbi-Narteh, and S. Jeelani, “Extraction and characterization of lignin from different biomass resources,” J. Mater. Res. Technol., vol. 4, no. 1, p. 26–32, 2015.

[20] H. Rabemanolontsoa and S. Saka, “Various pretreatments of lignocellulosics,” Bioresour. Technol., vol. 199, p. 83–91, 2016.

[21] P. Penjumras, R. B. A. Rahman, R. A. Talib, and K. Abdan, “Extraction and Characterization of Cellulose from Durian Rind,” Agric. Agric. Sci. Procedia, vol. 2, p. 237–243, 2014.

[22] Dominic WS Wong, "Structure and action mechanism of ligninolytic enzymes", Appl BiochemBiotechnol, vol. 157 (2), pp, 174-209, 2009..

[23] U. Moilanen, M. Kellock, S. Galkin, and L. Viikari, “The laccase-catalyzed modification of lignin for enzymatic hydrolysis,” Enzyme Microb. Technol., vol. 49, no. 6–7, p. 492–498, 2011.

[24] L. P. Christopher, B. Yao, and Y. Ji, “Lignin biodegradation with laccase-mediator systems,” Front. Energy Res., vol. 2, no. MAR, p. 1–13, 2014.

[25] M. L. Carvalho et al., “Kinetic study of the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse,” Brazilian J. Chem. Eng., vol. 30, no. 3, p. 437–447, 2013.

[26] Piñeros-Castro, Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica, algunas experiencias., Researchgate, vol no 2014. pp 335. 2016.

[27] E. S. Abdel-Halim, “Chemical modification of cellulose extracted from sugarcane bagasse: Preparation of hydroxyethyl cellulose,” Arab. J. Chem., vol. 7, no. 3, p. 362–371, 2014.

[28] G. Vanitjinda, T. Nimchua, and P. Sukyai, “Effect of xylanase-assisted pretreatment on the properties of cellulose and regenerated cellulose films from sugarcane bagasse,” Int. J. Biol. Macromol., vol. 122, p. 503–516, 2019.

[29] M. Buchanan, “Solvent extractives of wood and pulp (Proposed revision of T 204 cm-97),” Nanofibers - Prod. Prop. Funct. Appl., p. 6, 2012.

[30] L. H. C. Mattoso, K. B. R. Teodoro, J. M. Marconcini, T. J. Bondancia, A. C. Corrêa, and E. de M. Teixeira, “Sugarcane bagasse whiskers: Extraction and characterizations,” Ind. Crops Prod., vol. 33, no. 1, p. 63–66, 2010.

[31] B. R. A. Alencar, E. D. Dutra, E. V. de S. B. Sampaio, R. S. C. Menezes, and M. A. Morais, “Enzymatic hydrolysis of cactus pear varieties with high solids loading for bioethanol production,” Bioresour. Technol., vol. 250, p. 273–280, 2018.

[32] M. E. Malainine, A. Dufresne, D. Dupeyre, M. Mahrouz, R. Vuong, and M. R. Vignon, “Structure and morphology of cladodes and spines of Opuntia ficus-indica. Cellulose extraction and characterisation,” Carbohydr. Polym., vol. 51, no. 1, p. 77–83, 2003.

[33] Isael Fuentes Herrera “Extracción de celulosa a partir de Opuntia ficus para la evaluación sobre la retención de flúor (F-),”, Mexico, Universidad Autonoma Del Estado de Mexico, Mex p 72, 2018.

[34] L. López, A. Sarmiento, J. Fajardo, L. Valarezo, and R. Zuluaga Gallego, “Determinación del porcentaje de humedad, solubles e insolubles en agua de la fibra de Carludovica Palmata (paja toquilla),” Ingenius, vol. 9, no. 9, 2013.

[35] A. K. Chandel, S. S. da Silva, W. Carvalho, and O. V. Singh, “Sugarcane bagasse and leaves: Foreseeable biomass of biofuel and bio-products,” J. Chem. Technol. Biotechnol., vol. 87, no. 1, p. 11–20, 2012.

[36] F. Masarin et al., “Chemical composition and enzymatic digestibility of sugarcane clones selected for varied lignin content,” Biotechnol. Biofuels, vol. 4, no. 1, p. 55, 2011.

[37] Myrna Alicia Abraján Villaseñor, Efecto en el metodo de extraccion de las caracteristicas quimicas y fisicas del mucilago den nopal (Opuntia ficus-indica) y estudio de su aplicación como recubrimiento comestible,España, Universidad politecnica de valencia,Valencia, Es p. 233, 2008.

[38] Evelyn Ester Jiménez Fernández, “"Obtención del mucílago de la cáscara de la tuna (Opuntia Ficus- Indica) a partir de diferentes métodos de extracción”. Chile, Universidad de Chile, Santiago, Chl p. 63, 2014.

[39] L. Mesa, E. González, C. Cara, M. González, E. Castro, and S. I. Mussatto, “The effect of organosolv pretreatment variables on enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse,” Chem. Eng. J., vol. 168, no. 3, p. 1157–1162, 2011.

[40] V. K. Ponnusamy et al., “A review on lignin structure, pretreatments, fermentation reactions and biorefinery potential,” Bioresour. Technol., vol. 271, p. 462–472, 2019.

[41] X. P. Ouyang, Y. Yang, G. D. Zhu, and X. Q. Qiu, “Radical synthesis of tetrameric lignin model compound,” Chinese Chem. Lett., vol. 26, no. 8, p. 980–982, 2015.

[42] J. Huang, Y. Liu, B. Sun, J. Li, R. Zhang, and S. Nie, “Laccase pretreatment for enhancing microwave-assisted alkaline extraction of hemicellulose from bagasse,” BioResources, vol. 14, no. 1, p. 931–942, 2019.

[43] C. Chen, L. Jiang, G. Ma, D. Jin, L. Zhao, and X. Ouyang, “Lignin Removal from Tobacco Stem with Laccase Improved by Synergistic Action of Weak Alkali and Tween 80,” Waste and Biomass Valorization, vol. 10, no. 11, p. 3343–3350, 2019.

[44] Q. Wang, S. Liu, G. Yang, and J. Chen, “Modeling laccase-induced lignin removal in prehydrolysis liquor from kraft-based dissolving pulp production,” Bioresour. Technol., vol. 175, p. 638–641, 2015.

[45] J. Zhang, H. Zhou, D. Liu, and X. Zhao, Pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient enzymatic saccharification of cellulose. p. 17-65, 2019

[46] R. M. R. G. Almeida and M. R. Ladisch," Enzyme interactions on lignocellulosic biomass structure". p. 33-59, 2020.

[47] N. V. Bhagavan and C.-E. Ha, “Enzymes and Enzyme Regulation,” Essentials Med. Biochem., p. 47–58, 2011.

[48] K. A. Johnson and R. S. Goody, “The original Michaelis constant: Translation of the 1913 Michaelis-Menten Paper,” Biochemistry, vol. 50, no. 39, p. 8264–8269, 2011.

[49] Y. S. Cho and H. S. Lim, “Comparison of various estimation methods for the parameters of Michaelis–Menten equation based on in vitro elimination kinetic simulation data,” Transl. Clin. Pharmacol., vol. 26, no. 1, p. 39–47, 2018.

[50] M. Marasović, T. Marasović, and M. Miloš, “Robust Nonlinear Regression in Enzyme Kinetic Parameters Estimation,” J. Chem., vol. 2017, p. 12, 2017.

[51] A. Ramezani Kakroodi, S. Panthapulakkal, M. Sain, and A. Asiri, “Cellulose nanofibers from the skin of beavertail cactus, Opuntia basilaris, as reinforcements for polyvinyl alcohol,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 132, no. 36, p. 1–7, 2015.

[52] S. Bensadón, D. Hervert-Hernández, S. G. Sáyago-Ayerdi, and I. Goñi, “By-Products of Opuntia ficus-indica as a Source of Antioxidant Dietary Fiber,” Plant Foods Hum. Nutr., vol. 65, no. 3, p. 210–216, 2010.

[53] M. Cheikh Rouhou, S. Abdelmoumen, S. Thomas, H. Attia, and D. Ghorbel, “Use of green chemistry methods in the extraction of dietary fibers from cactus rackets (Opuntia ficus indica): Structural and microstructural studies,” Int. J. Biol. Macromol., vol. 116, p. 901–910, 2018.

[54] Raquel Gabriela Córdoba Bolaños Germán Ricardo Cultid Chamorro., Estudio comparativo de la actividad enzimática de Lacasa (Lac), lignina peroxidasa (LiP) y Manganeso peroxidasa (MnP) de “pleurotus ostreatus” cultivado en residuos lignocelulosicos de raquis de palma de aceite, bagazo de fique y pulpa de café, Nariño, Universidad de Nariño (Udenar), Pasto, Col, 2015.

[55] Z. Zhu, N. Sathitsuksanoh, T. Vinzant, D. J. Schell, J. D. McMillan, and Y. H. P. Zhang, “Comparative study of corn stover pretreated by dilute acid and cellulose solvent-based lignocellulose fractionation: Enzymatic hydrolysis, supramolecular structure, and substrate accessibility,” Biotechnol. Bioeng., vol. 103, no. 4, p. 715–724, 2009.