Analysis of digestibility of lignocellulosic biomass from plants treated with lignification inhibitors

Abstract

RESUMO: A biomassa vegetal é um material renovável amplamente disponível, utilizado para produzir energia, biocombustíveis, produtos farmacêuticos, têxteis, bioplásticos, entre outros. Seu potencial está no desenvolvimento de produtos químicos e materiais ambientalmente sustentáveis. A lignocelulose é a biomassa mais abundante presente nos vegetais sendo composta principalmente pelos componentes da parede celular das plantas, como celulose, lignina e hemicelulose. Diferentes plantas possuem composições variadas da parede celular, resultando em propriedades químicas únicas e aplicações diversificadas. A silagem de milho (Zea mays L.), por exemplo, é amplamente utilizada em sistemas de produção de ruminantes devido ao seu alto valor energético, enquanto a cana-de-açúcar (Saccharum spp) é fundamental para a produção de etanol, com o bagaço sendo um resíduo valioso para o etanol de segunda geração (2G). A celulose, principal componente da biomassa lignocelulósica, é um polímero de glicose que, uma vez despolimerizada, no rumem ou em biorrefinarias pode servir como nutriente para herbívoros, leveduras e outros organismos. Em contraste, a lignina, segundo polímero mais abundante na biomassa, é um complexo de compostos fenólicos de baixo valor nutricional. Ela confere rigidez e impermeabilidade à parede celular de fibras, vasos e em tecidos corticais. Ela também atua no sistema de defesa das plantas, dificultando a digestão da biomassa para patógenos e herbívoros, bem como inibindo fortemente os processos de sacarificação. Resultados preliminares demonstraram que a pulverização de plantas com promotores de sacarificação, como os inibidores de enzimas responsáveis pela síntese da lignina, pode melhorar a digestibilidade da biomassa lignocelulósica. Esses promotores atuam remodelando a estrutura da lignina, o que facilita a hidrólise da celulose e hemicelulose durante a sacarificação. Neste trabalho, selecionamos quatro promotores de sacarificação — ácido piperonílico (PIP), ácido 3,4-metilenodioxicinâmico (MDCA), daidzina (DZN) e benzoidrazida (BHZ) — que foram pulverizados em plantas de milho e cana-de-açúcar em escala agrícola. O objetivo foi validar a eficácia desses promotores em aumentar a sacarificação das plantas tratadas, sem comprometer o rendimento da biomassa e a fisiologia natural das plantas. Nos ensaios com a cultura de milho para silagem, os tratamentos com PIP e MDCA resultaram em aumentos na sacarificação superiores a 30% em comparação com as testemunhas. Para a cana-de-açúcar, DZN e PIP foram identificados como os mais eficientes em promover aumentos superiores a 40% na quantidade de açúcares redutores liberados, quando comparados aos bagaços das parcelas controle. Este ensaio foi conduzido em uma área que cultiva cana-de-açúcar para a Raízen, que supervisionou tanto a etapa agronômica, quando as etapas de pré-tratamento e hidrólise, realizada segundo os protocolos indicados por eles. Afora os aumentos substanciais na sacarificação, não foram observadas quaisquer outras alterações significativas na fisiologia ou na produtividade da biomassa das plantas tratadas. Esses resultados fornecem uma base sólida para a aplicação prática desses promotores em escala industrial

ABSTRACT: Vegetal biomass is a widely available renewable material used for producing energy, biofuels, pharmaceuticals, textiles, bioplastics, and more. Its potential lies in the development of environmentally sustainable chemicals and materials. Lignocellulose is the most abundant biomass, primarily composed of plant cell wall components such as cellulose, lignin, and hemicellulose. Different plants have varied cell wall compositions, resulting in unique chemical properties and diverse applications. For example, maize silage (Zea mays L.) is widely used in ruminant production systems due to its high energy value, while sugarcane (Saccharum spp) is crucial for ethanol production, with the bagasse being a valuable residue for second-generation ethanol (2G). Cellulose, the main component of lignocellulosic biomass, is a glucose polymer that, once depolymerized in the rumen or in biorefineries, can serve as a nutrient for herbivores, yeasts, and other organisms. In contrast, lignin, the second most abundant polymer in biomass, is a complex of phenolic compounds with low nutritional value. It provides rigidity and impermeability to the cell wall of fibers, vessels, and cortical tissues. It also acts as a plant defence system, making biomass digestion difficult for pathogens and herbivores and strongly inhibiting saccharification processes. Preliminary results have shown that spraying plants with saccharification promoters, such as inhibitors of the enzymes responsible for lignin synthesis, can improve the digestibility of lignocellulosic biomass. These promoters work by remodelling the lignin structure, which facilitates the hydrolysis of cellulose and hemicellulose during saccharification. In this study, we selected four saccharification promoters—piperonylic acid (PIP), 3,4-methylenedioxycinnamic acid (MDCA), daidzin (DZN), and benzohydrazide (BHZ)—which were sprayed on maize and sugarcane plants on an agricultural scale. The goal was to validate the effectiveness of these promoters in increasing the saccharification of treated plants without compromising biomass yield and the natural physiology of the plants. In trials with maize silage, treatments with PIP and MDCA resulted in saccharification increases of over 30% compared to the controls. For sugarcane, DZN and PIP were identified as the most efficient, promoting increases of over 40% in the amount of reducing sugars released compared to the control bagasse. This trial was conducted on a field growing sugarcane for Raízen, which supervised both the agronomic stage and the pre-treatment and hydrolysis stages, following their specified protocols. Apart from substantial increases in saccharification, no other significant changes were observed in the physiology or biomass productivity of the treated plants. These results provide a solid foundation for the practical application of these promoters on an industrial scale