Previsão das propriedades cristalinidade e teores de carboidratos estruturais em biomassa de cana-de-açúcar usando NIR, PLS e métodos de seleção de variáveis

Abstract

Modelos para a previsão das propriedades cristalinidade de celulose e dos teores de glicanas e xilanas na biomassa de cana-de-açúcar (Saccharum spp.) foram construídos usando regressão por mínimos quadrados parciais (PLS) e espectroscopia no infravermelho próximo (NIR). Os métodos propostos surgem em substituição às tradicionais análises da biomassa por difratometria de raio-X (XRD) e cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). As principais vantagens do uso da espectroscopia NIR como alternativa às técnicas convencionais se dão devido à rapidez de análise (~20s), menor custo, ser não destrutiva, requerer um mínimo manuseio de amostra e facilidade de uso. Foram usados também os métodos de seleção de variáveis Seleção dos Preditores Ordenados (OPS) e Algoritmo Genético (GA) visando melhorar a capacidade preditiva e interpretativa dos modelos. Em todos os casos avaliados o algoritmo OPS mostrou-se superior ao GA. As amostras de biomassa utilizadas neste estudo apresentaram índices de cristalinidade que variaram de 50 a 81% e teores de glicanas e xilanas que variaram de 20 a 43% e 15 a 30%, respectivamente. Os modelos para cristalinidade, glicanas e xilanas foram construídos com 5, 2 e 2 variáveis latentes e 150, 431 e 451 variáveis independentes, respectivamente. As transformações espectrais que forneceram melhores modelos foram as de derivadas. Os parâmetros estatísticos raiz quadrada do erro quadrático médio de validação cruzada (RMSECV), raiz quadrada do erro quadrático médio de previsão (RMSEP), coeficiente de correlação de validação cruzada (RCV), coeficiente de correlação de previsão (RP) e índice de desempenho do desvio (RPD) são descritos, respectivamente, para o modelo de: i) cristalinidade: 3,31; 3,01; 0,86; 0,92, e 1,71; ii) Glicanas: 2,16; 1,81; 0,94; 0,95 e 2,00; iii) Xilanas: 1,27; 1,32; 0,91; 0,94 e 1,79. As correlações entre a cristalinidade e outras propriedades químicas da biomassa de cana- de-açúcar tais como lignina, α- celulose, hemicelulose e cinzas não foram significativas, e assim, a cristalinidade se mostrou uma propriedade independente na biomassa de cana- de-açúcar.

Models for the prediction of crystallinity of cellulose and glucans and xylans contents in sugarcane biomass (Saccharum spp.) were built using partial least squares regression (PLS) and near-infrared spectroscopy (NIR). The proposed methods appear replacing the traditional analyzes of biomass by X-ray diffractometry (XRD) and high performance liquid chromatography (HPLC). The main advantages of using NIR spectroscopy as an alternative to conventional techniques are due to rapid analysis (~20s), lower cost, being non-destructive, requiring a minimal sample handling and ease of use. Were also used the variable selection methods Ordered Predictors Selection (OPS) and Genetic Algorithm (GA) to improve the predictive and interpretive capacity of the models. In all cases, the OPS algorithm was superior to GA. The biomass samples used in this study showed crystallinity indexes ranging from 50 to 81% and glucans and xylans contents ranging from 20 to 43% and 15 to 30%, respectively. The models for crystallinity, glucans and xylans were built with 5, 2 and 2 latent variables and 150, 431 and 451 independent variables, respectively. The spectral transformations that provided the best models were the derivatives. The root mean square error of cross-validation (RMSECV), root mean square error of prediction (RMSEP), correlation coefficient of cross-validation (RCV), correlation coefficient of prediction (RP), and ratio of performance to deviation (RPD) are described, respectively, for the model of: i) crystallinity: 3.31; 3.01; 0.86; 0.92, and 1.71; ii) Glucans: 2.16; 1.81; 0.94; 0.95 and 2.00; iii) Xylans: 1.27; 1.32; 0.91; 0.94 and 1.79. The correlations between crystallinity and other chemical properties of sugarcane biomass such as lignin, α-cellulose, hemicellulose, and ash were not significant, and hence, crystallinity proved to be an independent property in sugarcane biomass.