Produção e extração de metabólitos secundários de duas plantas medicinais propagadas in vitro e produção de levoglucosana por pirólise rápida de bagaço de cana

Abstract

Diversas espécies vegetais e combustíveis fósseis têm sido utilizados como fonte de compostos químicos de interesse comercial. A preocupação pela conservação dos recursos naturais tem levado ao desenvolvimento de estratégias bioeconômicas que permitam diminuir sua sobre-exploração. Plantas medicinais propagadas em condições in vitro têm sido utilizadas para a produção biotecnológica de substâncias bioativas como compostos orgânicos voláteis (VOCs) e fenóis; enquanto a biomassa de cana de açúcar tem sido empregada como fonte renovável de biocombustíveis e compostos químicos, como a levoglucosana (LGA). No entanto, protocolos de cultivo in vitro ainda têm que ser otimizados para incrementar o desenvolvimento das plantas e a produção de compostos de interesse em espécies como Ruta graveolens e Piper crassinervium. Assim mesmo, técnicas como a pirólise de biomassa para a produção de LGA ainda precisam ser aprimoradas. Em este trabalho foi estudado o efeito: (i) da qualidade espectral da luz sobre a produção de VOCs em plantas propagadas in vitro de R. graveolens; (ii) de diferentes condições de cultivo sobre a propagação in vitro de P. crassinervium e o acúmulo de compostos fenólicos (iii) do pré-tratamento ácido com cálix[n]areno de bagaço de cana para a obtenção de LGA via pirólise rápida. Para tal, plantas de R. graveolens foram cultivadas sob lâmpadas LEDs branca, azul, azul-vermelha, vermelha (V) e vermelha distante (VD); os VOCs foram extraídos por microextração em fase sólida através do headspace (HS-SPME) e as condições de extração foram otimizadas previamente. Fatores abióticos foram testados no desenvolvimento in vitro de plantas de P. crassinervium a partir de segmentos nodais (SN) cultivados sob condições controladas. O bagaço de cana foi tratado com ácido p-sulfônico calix[4]areno para a remoção de interferentes; posteriormente, a biomassa tratada foi pirolizada para a produção de açúcares pirolíticos (LGA). Como resultado, o tipo de recobrimento da fibra de SPME, o tempo de extração e a quantidade de biomassa utilizada para a extração de VOCs por HS-SPME de R. graveolens foram otimizadas; LEDs V e VD influenciaram na viiiprodução de sesquiterpenos e alguns álcoois alifáticos nas plantas propagadas in vitro de R. graveolens. O protocolo de propagação in vitro de P. crassinervium estabelecido neste trabalho, resultou no incremento da biomassa e de compostos fenólicos. Foi demonstrado pela primeira vez que o pré-tatamento da biomassa com organocatalisadores como os cálix[n]arenos incrementa o rendimento da LGA em 12 vezes comparado com a biomassa não tratada. Este trabalho pode contribuir à elucidação de outros fatores que participam nas rotas de biossíntese de VOCs de interesse comercial; um protocolo de propagação in vitro eficiente, tanto para a obtenção de compostos fenólicos como de biomassa, foi estabelecido para P. crassinervium. O pré-tratamento ácido de bagaço de cana com calix[n]arenos forneceu uma metodologia eficiente para incrementar a produção de LGA.

Various plant species and fossil fuels have been used as a source of commercially available chemical compounds. Concern over the conservation of natural resources has led to the development of bioeconomic strategies to reduce their overexploitation. Medicinal plants propagated under in vitro conditions have been used for the biotechnological production of bioactive substances such as volatile organic compounds (VOCs) and phenols; while sugarcane biomass has been used as a renewable source of biofuels and chemical compounds, such as levoglucosan (LGA). However, in vitro culture protocols still have to be optimized to increase plant development and the production of compounds of interest in species such as Ruta graveolens and Piper crassinervium. Also, techniques such as biomass pyrolysis for LGA production still need to be improved. In this work the effect of: (i) spectral light quality on the production of VOCs in in vitro plants propagated of R. graveolens; (ii) different culture conditions on the in vitro propagation of P. crassinervium and the accumulation of phenolic compounds (iii) acid pretreatment of sugarcane bagasse with calix[n]arene to obtain LGA via rapid pyrolysis was studied. For this, R. graveolens plants were cultivated under white, blue, blue-red, red (R) and far-red (FR) LEDs; the VOCs were extracted by solid phase microextraction through the headspace (HS-SPME) and the extraction conditions were optimized previously. Abiotic factors were tested in the in vitro development of P. crassinervium plants from nodal segments (NS) grown under controlled conditions. The sugarcane bagasse was treated with p-sulfonic acid calix[4]arene for the removal of interferents; the treated biomass was pyrolyzed for the production of pyrolytic sugars (LGA). As a result, the SPME fiber coating type, the extraction time and the amount of biomass used for the extraction of VOCs by HS-SPME of R. graveolens were optimized; R and FR LEDs influenced the production of sesquiterpenes and some aliphatic alcohols in the in vitro propagated plants of R. graveolens. The in vitro propagation protocol of P. crassinervium established in this work resulted in the increase of xbiomass and phenolic compounds. It has been demonstrated for the first time that biomass pretreatment with organocatalysts such as calix[n]arenes increases the yield of LGA by 12-fold compared to untreated biomass. This work can contribute to the elucidation of other factors that participate in the commercial interest VOCs biosynthesis routes; an efficient in vitro propagation protocol for both phenolic compounds and biomass was established for P. crassinervium. The pre-treatment of sugarcane bagasse with calix[n]arenes provided an efficient methodology to increase the production of LGA. .