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Este artigo científico explora o desenvolvimento de um método alternativo para a extração de queratina do pelo suíno, utilizando a hidrólise enzimática. O objetivo é transformar este subproduto em matéria-prima para a produção de queratina em escala industrial, agregando valor aos resíduos de abate suíno e promovendo uma tecnologia limpa e sustentável. O estudo aborda a otimização do processo de hidrólise, a caracterização do produto final e a viabilidade de sua aplicação na área médica, como curativos para tratamento de feridas.
Tipologia: Teses (TCC)
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Trabalho apresentado à disciplina de Aproveitamento de Resíduos Agroindustriais para Obtenção de Compostos Bioativos: Extração, Aplicação de Bioprocessos e Processos de Separação, como requisito parcial para obtenção de nota na disciplina. Área de concentração: Processos Químicos e Bioquímicos Docente: Profa. Dra^ Mônica Lady Fiorese Docente: Profa. Dra^ Carina Contini Triques
Figura 1 - Mercado mundial da carne suína (milhões de toneladas) .............. .... 13 Figura 2 - Sistema Tegumentar ...................................................................... .... 16 Figura 3 - Estrutura Cisteína e Cistina ............................................................. ....1 7 Figura 4 - Fragmento de queratina - ( Homo sapiens / Ovis aries / Rattus norvegicus ) ......................................................................................................................... .... 19 Figura 5 - Aspectos qualitativos do pelo suíno após a sua limpeza ............... .... 29 Figura 6 - Esquematização de um processo principal de transformação (hidrólise) do pelo suíno .................................................................................. .... 30 Figura 7 - Fluxograma de obtenção e caracterização do hidrolisado proteico de fígado suíno...................................................................................................... .... 35 Figura 8 - Representação esquemática do novo método de extração desenvolvido em laboratório e aumento de escala piloto ....................................................... .... 40
A agroindústria possui participação expressiva na economia do nosso país, entretanto, nos últimos anos observou-se uma elevada geração de resíduos sólidos advinda da mesma, entre eles, os denominados resíduos queratinosos originado da pelagem suína, os quais, possuem elevada capacidade poluente. Assim, o presente trabalho evidencia o potencial de aproveitamento que apresenta o pelo desses animais. Neste ínterim, o objetivo geral desta pesquisa será o desenvolvimento de método e processos alternativos através da hidrolise enzimática do pelo suíno para o aproveitamento e valorização deste subprotudo como matéria-prima para a produção de queratina numa escala laboratorial e ordenamento para condição e produção industrial, agregando valor aos resíduos de abate suíno, colaborando para uma tecnologia limpa e sustentável. Para isso, a matéria prima para o desenvolvimento deste trabalho, o pelo suíno, será cedida pela Brasil Foods S/A - BRFⓇ, especialista na produção e gestão de subprodutos de origem animal, como frangos e suinos. Para a determinação de um processo para aproveitamento da pelagem de suínos, será explorado um procedimento de bancada o mais próximo possível a ser executado em escala industrial, com o intuito de sempre operar no menor custo possível promovendo a sustentabilidade. Os resultados desta pesquisa podem gerar importante impacto científico e econômico, pois este produto de origem natural pode se tornar fonte de matéria-prima para diversas áreas, excepcionalmente a área médica, com o desenvolvimento de membranas de queratina para curativos visando o tratamento de ferimentos, sendo um dos propósitos deste experimento, e assim contribuir com a gestão desse subproduto queratinoso da cadeia suína de forma ecologicamente correta. Palavras - chave: Hidrólise enzimática, Pelos suinos, Resíduos de abate, Suinocultura, Queratina.
Agroindustry has a significant participation in our country's economy, however, in recent years there has been a high generation of solid waste arising from it, including the so-called keratinous waste originating from pig fur, which has a high polluting capacity. Thus, the present work highlights the potential for use of these animals’ fur. In the meantime, the general objective of this research will be the development of alternative methods and processes through the enzymatic hydrolysis of swine hair for the use and valorization of this subproduct as raw material for the production of keratin on a laboratory scale and ordering for industrial condition and production, adding value to pig slaughter waste, contributing to clean and sustainable technology. To this end, the raw material for the development of this work, pig hair, will be provided by Brasil Foods S/A - BRFⓇ, a specialist in the production and management of by-products of animal origin, such as chicken and pork. To determine a process for using pig hair, a bench procedure as close as possible to being carried out on an industrial scale will be explored, with the aim of always operating at the lowest possible cost, promoting sustainability. The results of this research can generate an important scientific and economic impact, as this product of natural origin can become a source of raw material for several areas, exceptionally the medical area, with the development of keratin membranes for dressings aimed at treating wounds, being one of the purposes of this experiment, and thus contribute to the management of this keratinous by-product of the swine chain in an ecologically correct way. Key words: Enzymatic hydrolysis, Pig hair, Slaughter waste, Pig farming, Keratin.
ALVAREZ et al., 2015; MORA et al., 2014; MULLEN et al., 2017). Não obstante, a busca de moléculas bioativas objetivando o desenvolvimento de novos produtos com alta eficácia de aplicação e também com valor comercial competitivo, vai em direção ao novo mercado consumidor, sendo o mesmo, humano ou animal, o qual tem como enfoque a busca por produtos funcionais, preventivos e promotores de saúde (CARUSO, 2016). Neste contexto, a iniciativa da utilização de um subproduto para uma aplicação mais nobre, como é o caso dos hidrolisados de resíduos pelo suíno através do processamento animal, tendo como produto final a queratina, vem de encontro com o recomendado para que assim, haja maior crescimento e o desenvolvimento da indústria, da pesquisa, da economia e como resultado melhoria das questões ambientais com a exploração sustentável dessas fontes e sociais ao agregar valor a subprodutos que seriam descartados (FAO, 2014). Salienta-se ainda que a maioria das pesquisas relatadas sobre queratina são baseadas em penas (JI et al., 2014), lã (ZHENG et al., 2015) e cabelo humano (JIN et al., 2016), e até onde se sabe, há poucos estudos e relatos sobre extração e propriedades da queratina do pelo suíno. Além disso, em nosso país, a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) (BRASIL, 2010), enfatiza que é de responsabilidade da empresa realizar o descarte e a gestão correta dos resíduos gerados e, deste modo, empresários e pesquisadores buscam diferentes formas de gestão e destinação desses resíduos, no entanto, estudos sobre gestão e destinação de detritos queratinosos como os pelos suínos, também são escassos na literatura, sendo motivo da realização desta importante pesquisa. Assim, considerando a geração de subprodutos da pelagem suína nos abates frigoríficos, a demanda por uma gestão e destinação ambientalmente correta para esses resíduos gerados, sendo assim a hidrólise desse subproduto pode ser considerada um forma de direcionar esse biomaterial, e assim ser reaproveitado e valorizado, visando a produção de queratina.
Diante do que foi supracitado, observa-se que há poucos estudos científicos que avaliam à produção de hidrolisado proteico empregando como matéria-prima o pelo suíno, e devido este subproduto ser uma excelente fonte nutricional de proteínas, aminoácidos, entre outros, é imprescindível o desenvolvimento de processos que possam convertê-lo em novos produtos como a queratina, por exemplo, explorando assim, o seu grande potencial. Assim, ao reutilizar o pelo suíno para a produção de queratina, estaremos não apenas contribuindo para a redução do desperdicío de uma matéria-prima valiosa, mas também promovendo a sustentabilidade ambiental e abrindo novas oportunidades econônimas. Desta forma, o presente trabalho tem como estimulo a possibilidade de promover um melhor aproveitamento da pelagem do suíno, através da bioconversão enzimática, tendo em vista que este processo revela imenso potencial de transformação para o aproveitamento tecnológico deste subproduto, e também por ser uma alternativa viável e interessante para os frigorifícos.
4. 1 Mercado Nacional e Global da carne suína Na última década, o consumo de alimentos ricos em proteína animal, aumentou de forma expressiva em escala mundial, sobretudo a carne suína. Neste ínterim, isso foi visto como uma oportunidade de negócio, levando ao aumento da criação de empresas dedicadas ao abate e processamento destes animais (FERNANDES, 2023). Diante disso, houve um crescimento significativo por meio do estabelecimento de redes de cooperativas com produtores rurais e da construção de fazendas de suínos (granjas) garantindo assim o bem-estar dos animais (FERNANDES, 2023). No Brasil, esse modelo industrial tem resultado em um grande crescimento, tornando-se uma das principais atividades econômicas do país. Deste modo, o Brasil tornou-se o quarto maior produtor e exportador mundial de carne suína de acordo com dados do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA, 2022). Apesar disso, a suinocultura brasileira também tem atravessando grandes desafios nos últimos anos, pois os efeitos pós-pandemia, impactos ocasionados pela guerra Rússia x Ucrânia, além do fenômeno El Nino e seus impactos na agropecuária tem determinado um ambiente propício à volatilidade dos mercados (SOARES; XIMENES, 2023). Mesmo diante destas situações, os estados da região sul do nosso país, tais como: Santa Catarina, Paraná e Rio Grande do Sul se destacaram como os principais produtores de suínos do Brasil. Assim, em 2023, Santa Catarina respondeu por cerca de 15,4 milhões de cabeça abatidas, o equivalente a 33,16% da produção nacional, Paraná com 9,3 milhões de abate, representando 19,94%, na sequência vem o Rio Grande do Sul com 9,2 milhões de abate de suinos, correspondendo a 19.87%, posteriormente vem ocupado em quarto lugar pelo estado de Minas Gerais, onde foi abatido 4,1 milhões de suínos, ou 8.74% do total do país, segundo dados da Associação Brasileira de Proteína Animal (ABPA, 2024). Ainda, de acordo com a (ABPA, 2024), apenas em 2023, o Brasil já tinha cerca de 2.099.036 matrizes de suínos alojadas e, no mesmo ano, foi responsável por abastecer 7 6,15% do mercado interno e exportar 2 3,85% da produção da carne
suína, o que representa 1,230 milhões de toneladas exportadas, destacando novamente o mesmo como o 4° maior produtor a nível global. Além disso, de janeiro até maio de 2024, por exemplo, já tinha sido exportadas 104,4 mil toneladas de suinos. O consumo de carne per capita ficou em torno de 18,3 kg por pessoa segundo dados da mesma fonte. Entre os principais mercados mundiais se destacaram a China, Hong Kong e Chile (ABPA, 2024). Figura 1: Mercado mundial da carne suína (milhões de toneladas). Fonte: (ABPA, 2024; USDA, 2023). Com relação ao cenário mundial, a China ocupou o primeiro lugar como maior produtora mundial, respondendo por cerca de 5 6, 90 0 milhões de toneladas da produção, logo na sequência pela União Européia com 20, 85 0 milhões de toneladas, Estados Unidos em terceiro lugar com 12, 391 milhões de toneladas, já o Brasil destacou-se em quarto lugar com 5,156 milhões de toneladas e na quinta posição vem à Russia com cerca de 3,950 milhões de toneladas de produção como pode ser observado na Figura 1 (ABPA, 202 4 ). De acordo com o mesmo estudo, a China, além de possuir o status de maior produtor e consumidor mundial de carne suína com 59,741 milhões de toneladas consumidas, passou a ser também a maior importadora, onde em 2023, importou
4 .1.2 Pelo suíno Os pelos são estruturas formadas pelos filamentos queratinizados que desempenham um papel fundamental de proteção a superfície epidérmica da pele, possuindo também a função de isolamento térmico nos animais mamíferos (GARTERN et al., 1999). Os mesmos são compostos por queratinas do tipo hard , isto é, que possuem alto percentual de pontes dissulfeto, e são formados por estruturas distintas, tais como: córtex, medula e cutícula (EL BABA, COVINGTON; DAVIGHI, 2000). A cutícula é formada por camadas de β-queratina cuja função é envolver o córtex e assim proteger o pelo de danos físicos e químicos, devido a isso possui também uma camada lipídica que lhe assegura hidrofobicidade. Já no córtex estão presentes os filamentos intermediários, e as proteínas associadas a esses filamentos que compõem a matriz. A medula, por sua vez, pode ocorrer em pelos mais espessos e é composta por uma coluna central de proteínas ligadas de forma mais relaxada (ROUSE; DYKE, 2010). Logo, as queratinas que formam a matriz dispõem de um maior teor de enxofre, cuja função é dar coesão à estrutura, já as proteínas que formam os filamentos intermediários possuem um reduzido teor de enxofre e detêm também uma conformação de hélice para dar suporte a estrutura (ROUSE; DYKE, 2010). Neste ínterim, a pelagem da maioria dos mamíferos é formada por 2 tipos de pelos. Os pelos mais curtos, os quais são conhecidos como underhairs e e os mais longos como overhairs (INGBERMA; FILHO, 2006). A porção do cabelo que segue o bulbo é denominada haste. Pelo fato de ser mais ereta, pode parecer tanto reta quanto ondulada. O escudo maior está localizado entre a ponta e a extremidade distal da pele (FELIX et al., 2014). A Figura 2 , ilustra a estrutura do sistema de pelos.
Figura 2 : Sistema Tegumentar. Fonte: Biologia animal (2020). 4 .1.3 Propriedades da queratina Segundo Harkey (1993), a queratina surgiu da palavra grega, keras, que significa chifre. A mesma é uma família de proteína estruturais fibrosas e insolúveis em água e solventes orgânicos, caracterizada pelo alto teor de enxofre, presente especialmente nos aminoácidos, cisteína e cistina, os quais são comuns na epiderme de mamíferos, aves, peixes e répteis, bem como em anexos cutâneos tais como: pelos, penas, escamas, chifres e unhas. Já nos seres humanos são encontradas nos pelos, cabelos, unhas e pele (NEURATH, 1966; MOTHÉ et al., 2014 ). Desta forma, o enxofre que se encontra presente na forma de cisteina e cistina pode ser verificado na Figura 3 que segue sendo o responsavel pela formação das pontes dissulfidicas, que tornam a estrutura mais compacta em decorrência da força deste tipo de ligação, auxiliadas por pontes de hidrogênio gerando uma maior estabillidade estrutural da proteina (WINTER, 2011).
adsorver MOS 2 em massa de forma mais eficaz devido seus grupos com alto teor de enxofre em comparação com a albumina sérica bovina. Mori e Hara (2018), prepararam um filme transparente de queratina de lã biocompatível por compressão mecânica de hidrogel de queratina porosa, mostrando propriedades mecânicas mais fortes no teste de tração e taxa de degradação mais lenta in vivo como um implante do que o hidrogel de queratina comum. O pelo suíno contém um alto percentual de queratina (CASSONI et al., 2018), apesar disso, quantidades significativas deste resíduo são descartadas todos os anos, o que resulta em sério desperdício de queratina animal, assim como em poluição ambiental. Desta forma, é primordial extrair a queratina do pelo suíno, que não é apenas a base da fabricação de biomateriais, mas também uma abordagem eficiente de reciclagem de resíduos do pelo desses animais e assim será a meta deste experimento. Ainda, a queratina, no que lhe diz respeito, é classificada também pela sua estrutura podendo ser observada nos formatos α-hélice ou β-folha, também conhecidas como α-queratina e β-queratina, a mesma também é dividida em relação a sua dureza, de maneira que quanto maior o teor de enxofre e ligações dissulfeto maior será a dureza do resíduo (GUPTA; RAMNANI, 2006; HASSAN et al., 2020). Nesta universo, os pelos suínos e as penas de frango são classificados em α- queratinas duras e β-queratinas macias, e em consequência de sua estrutura complexa, esses resíduos acabam se tornando resistentes ao ataque microbiano e de enzimas como a pepsina, tripsina e a papaína (DIPANKAR; BHAN, 2019). O fragmento de queratina pode ser observado na Figura 4 , encontrado em humanos, ovinos e ratos, fórmula molecular C 4 7H 77 N 13 O 1 e peso molecular 1064, g/mol (NATIONAL CENTER OF BIOTECHNOLOGY INFORMATION, 20 17 ).
Figura 4 : Fragmento de queratina ( Homo sapiens / Ovis aries / Rattus norvegicus ). Fonte: (In:https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/). 4 .1.4 Alguns processos de extração da queratina Os primeiros experimentos de extração da queratina são relatados do final da década de 30, onde se usava a lã como matéria-prima. Neste sentido, os processos de hidrólise quimica faziam o uso de uma mistura dos agentes caotrópicos, como o tioglicolato de amônio e uréia, bem como hidróxido de sódio e misturas contendo HCL, tributilfosfina ou peróxido de hidrogênio (KAWASAKI, 1990). Nesta circustância, atualmente já são várias as metodologias para a extração desse biopolímero, assim sendo, neste trabalho será abordado os principais tipos, que são: extração assistida por micro-ondas, sulfitólise, líquidos iônicos, hidrólise alcalina, hidrólise ácida e hidrólise enzimática, sendo esta última de maior interesse para a nossa pesquisa. Inicialmente temos o processo da hidrólise, que é uma reação química em meio aquoso, em que a água sofre dupla decomposição em um composto: sendo que um hidrogênio da molécula de água é transferido para um dos produtos, e o grupo OH é transferido para o outro produto. A reação de hidrólise é esquematizada abaixo: XY + H2O HY + XOH Fonte: http://www.dequi.eel.usp.br/~barcza/Hidrolise.pdf
