A biorefinery approach for valorization of vine pruning residue

Abstract

O continente europeu é considerado o maior produtor mundial de vinho e apresenta uma grande biodiversidade de castas e alto potencial de mercado. No entanto, ao longo dos diferentes estágios do processo de produção de vinho, muitos resíduos são gerados (resíduo de poda de videira-VPR, engaço e bagaço) e geralmente não são utilizados, sendo descartados. Portugal gera anualmente cerca de 178 mil toneladas de resíduos. O interesse em redirecionar o uso desses materiais lignocelulósicos tem aumentado devido à superprodução, grande disponibilidade e baixo custo. A utilização da biomassa lignocelulósica derivada da indústria vinícola poderá beneficiar economicamente os produtores, causando impacto benéfico ao meio ambiente. Esses subprodutos podem ser submetidos a pré-tratamentos (físicos, químicos e biológicos), para fracionamento e conversão a diferentes compostos com alto interesse industrial, reduzindo o desperdício do agronegócio e aumentando o lucro industrial. Os VPR, além de fonte de açúcar, possuiem alto valor nutritivo, servem como fonte compostos fenólicos, capazes de ser fracionados e aproveitados na bioconversão e na obtenção de produtos com alto valor agregado por fermentação seguindo um conceito de biorrefinarias. Poucos trabalhos foram feitos em relação a este conceito direcionado às podas de videira, portanto, diferentes fatores ainda precisam ser estudados e otimizados. A necessidade de desenvolver um pré-tratamento adequado para o fracionamento de VPR foi recentemente identificada, com o objetivo de aumentar a suscetibilidade durante a sacarificação enzimática ou reduzir a produção de inibidores para o processo de fermentação. Neste contexto, este projeto otimizou o fracionamento de VPR através de pré-tratamentos hidrotérmicos que é um tratamento suave e consiste no uso de água e altas temperaturas para fracionamento de biomassa lignocelulósica e para a produção de diferentes produtos com interesse industrial seguindo o conceito de biorrefinaria. Portanto, neste trabalho foi aplicada a auto-hidrólise em dois estágios sequenciais (severidade de 4,60) para melhorar a suscetibilidade do material liginocelulósico à hidrólise enzimática, onde se obtiveram 99 % de conversão de glicose, atingindo 96 % de bioetanol após 48 h de sacarificação e 8h de fermentação separada e 83 % em sacarificação e fermentação simultânea, recuperando 13,1kg de etanol/ 100 kg de VPR nas melhores condições. Através dos pré-tratamentos de auto-hidrólise foi possível obter 13,6 kg/100 kg de VPR de xiloligossacarídeos, 3,1 kg/100 kg de compostos fenólicos, 13,1kg/100 kg de etanol e 27,0 kg/100 kg de lignina em quatro correntes separadas. Além disso, nesta tese estudou-se o potencial bioativo das podas de videira, otimizando a extração de compostos fenólicos através de soluções hidroalcoólicas em diferentes métodos (aquecimento convencional-CHE, micro-ondas assistido - MAE e aquecimento ómico-OH em duas intensidades distintas- campo elétrico baixo - LEF e campo elétrico intermédio - IEF). Bem como, a caracterização dos extratos obtidos In nitro, capacidade antioxidante, atividade antimicrobiana e efeito antiproliferativo em linhas celulares cancerígenas. No tratamento CHE foi possível observar que as melhores condições de extração foram 46 % de etanol/água, 80 °C durante 120 minutos. Entretanto, o tratamento MAE mostrou ser mais eficiente, devido à redução do tempo de extração comparando com o CHE. Os extratos obtidos através da extração MAE apresentaram também melhores resultados em comparação com a autohidrólise, embora este tratamento mostre maiores concentrações de compostos fenólicos totais. Quanto aos tratamentos por OH, foi possível observar maiores concentrações de apigenina, acido elágico e quercetina comparando com os outros tratamentos, além de identificar a presença da hisperedina que não foi identificada nos extratos obtidos pelos tratamentos por auto-hidrólise, CHE e MAE. Devido ao seu potencial bioativo, os extratos obtidos por OH foram testados, avaliando a capacidade de inibir o crescimento microbiano em fungos e a citotoxicidade dos extratos em células tumorais humanas de mama, hepatocelular e colo retal, bem como em células não-carcinogénicas de cólon retal mostrando resultados positivos quanto às duas atividades estudadas. Estes resutados mostraram que VPR apresenta grande potencial de valorização, e que através de pretratamentos, se pode direcionar as diferentes frações extraídas, para produção de diferentes produtos que abrangem diversos setores industriais. Desta forma, a valorização deste resíduo pode contribuir para alcançar modelos econômicos mais sustentáveis e circulares, dando origem a modelos de produção altamente competitivos que impactariam positivamente o cenário econômico.

The European continent is considered the world's largest producer of wine and features a large biodiversity of grape varieties and high market potential. However, throughout different stages of wine production process many wastes are generated (Vine Pruning residue, Stalks and Grape Marc) and usually are not used, being discarded. Portugal annually generates approximately 178 thousand tons of waste. In this context, the interest in redirecting the use of these lignocellulosic materials has increased due to overproduction, great availability and low cost. The utilization of lignocellulosic biomass derived from the wine industry will benefit economically the producers, while causing beneficial impact to the environment. These byproducts can be submitted to pretreatments (physical, chemical and biological), for its fractionation and conversion to different compounds with high industrial interest, reducing the waste of agribusiness and increasing industrial profitability. The Vine Pruning Residue (VPR) besides being a source of sugar, has high nutritional value, serves as a source phenolic compounds, is capable of being fractionated and used in bioconversion and in obtaining products with high added value per conversion following the concept of biorefinery. Few works have been done in relation to this concept directed to vine pruning, therefore different factors still need to be studied and optimized. The need to develop adequate pretreatment for VPR fractionation has recently been identified, with the aim of increasing susceptibility during enzymatic saccharification or reducing the production of inhibitors for the fermentation process. In this context, this project optimized VPR fractionation through hydrothermal pretreatments, which is a mild treatment and consists of the use of water and high temperatures for lignocellulosic biomass fractionation and for the production of different products with industrial interest following the concept of biorefinery. Therefore, in this work, two sequential stages autohydrolysis (severity of 4.60) were applied to improve the susceptibility of lignocellulosic material to enzymatic hydrolysis, where 99% glucose conversion was obtained, reaching 96% bioethanol after 48h saccharification, and 8h of separate fermentation and 83 % in saccharification and simultaneous fermentation, recovering 13.1kg of ethanol 100kg of VPR under the best conditions. Through the autohydrolysis pretreatments it was possible to obtain 13.6 kg/100kg of xyloligosaccharides VPR, 3.1 kg/100kg of phenolic compounds, 13.1 kg/100kg of ethanol and 27.0 kg/100 kg of lignin in four separate streams.ln addition, this thesis studied the bioactive potential of vine pruning, optimizing the extraction of phenolic compounds through hydroalcoholic solutions in different methods (conventional heating - CHE, assisted microwave - MAE and ohmic - OH heating at two different intensities- low electric field extraction - LEF and intermediate electric field extraction - IEF). Moreover, the characterization of the obtained extracts was done in vitro in terms of antioxidant capacity, antimicrobial activity and antiproliferative effect on cancer cells. In the CHE treatment it was possible to observe that the best extraction conditions were 46 % ethanol/water, 80°C for 120 minutes. However, MAE treatment proved to be more efficient due to the reduction of extraction time compared to CHE. Extracts obtained by MAE also showed better results compared to auto-hydrolysis, although this treatment shows higher concentrations of total phenolic compounds. Regarding the treatments by OH, it was possible to observe higher concentrations of apigenin, ellagic acid and quercetin compared to the other treatments, besides identifying the presence of hesperidin that was not identified in the extracts obtained by the treatments by autohydrolysis, CHE and MAE. Due to their bioactive potential, the extracts obtained by OH were tested for their ability to inhibit microbial growth in fungi and the cytotoxicity of the extracts in human tumor breast, hepatocellular and colon rectal and non-carcinogenic colon rectal cells was evaluated, showing positive results for both activities studied.The results obtained in this study showed that vine pruning is a waste with great valorization potential which, through pretreatment, can direct the different fractions extracted to the production of different products that cover different industrial sectors. Thus, VPR valorization may contribute to achieving more sustainable and circular economic models, giving rise to highly competitive production models that would positively impact the economic scenario.