Valorization of agroindustrial residues through enzymatic upgrading is attractive because such feedstocks are inexpensive, available at industrial sites, and potentially synergistic with the production of food. Agroindustrial residues have been studied for applications such as the production of bio-renewable chemicals and alternative ingredients in animal production. However, their complex structural polysaccharides (cellulose, hemicelluloses, pectins, and others) represent a barrier to efficient valorization. In this Thesis, soybean hulls (SBH) and corn distiller's dried grains with solubles (DDGS), by-products of the industrial processing of soybean and corn, respectively, are investigated because of their importance in the South American landscape and the potential for valorization. For both types of substrates, the investigation covers compositional variability, substrate structure, and enzymatic reactions, but the emphasis of the investigation is tailored to the specificities of each type of substrate. The investigation of SBH privileged the understanding of the native hierarchical multiscale structure of the biomass, which is mostly preserved after the industrial separation of the hulls. SBH has been previously recognized as a substrate highly amenable to enzymatic conversion (i.e., low recalcitrance), which allows bioconversion without thermochemical pretreatment. This possibility is confirmed by this work. The multiscale characteristics of SBH shed light on the structural origins of the low recalcitrance. In aqueous media SBH have high nanoscale porosity, especially for pore sizes greater than enzyme sizes ∽5mm. Moreover, the contents of lignin are low and localized, and the relative purity of cellulose in SBH tissues also contributes to the low recalcitrance of SBH compared to other lignocellulosic feedstocks. These results provide a structural basis for understanding the low recalcitrance of SBH, paving the way for novel developments in SBH biotechnological valorization. As corn DDGS is concerned, this biomass is obtained from the corn ethanol production process and is composed mainly of the undigested fraction of corn grains. The experience from traditional production regions, chiefly the United States, has shown that variability is a key factor for DDGS valorization. With the emergence of the corn ethanol industry in South America, the variability of DDGS in this new production region becomes a timely question. This work investigates DDGS samples obtained by facilities from Brazil, Paraguay, and Argentina to learn about the variability of DDGS in South America and the consequences for enzymatic hydrolysis. The investigated samples presented higher compositional variability in comparison to previously reported data from other production regions. Yeast content in DDGS is shown to be a minor factor contributing to variability, whereas the content of extractives and the proportion between corn fiber and protein are major ones. Enzymatic hydrolysis with cocktails optimized for lignocellulose, corn fiber, and yeast revealed complementary and synergistic effects for the solubilization of DDGS structural components in a highly variable set of pre-extracted DDGS. Furthermore, the response to enzymes could be correlated to the main compositional variations of DDGS, establishing a basis for enzymatic strategies to upgrade DDGS with consideration of its patterns of variability. With these results, this Thesis contributes to the advancement of a robust knowledge base for the development of enzymatic upgrading strategies for SBH and corn DDGS.

A valorização de resíduos agroindustriais através de processos enzimáticos é atrativa uma vez que essas matérias-primas possuem baixo custo, estão disponíveis em plantas industriais, e podem, potencialmente, ter sinergias com a produção de alimentos. Resíduos agroindustriais têm sido estudados para diferentes aplicações, como na produção de químicos biorrenováveis e como ingredientes alternativos na produção animal. No entanto, as suas complexas estruturas de carboidratos estruturais (celulose, hemicelulose, pectina e outros) representam uma barreira para uma valorização eficiente. Nessa Tese, cascas de soja e grãos de milho destilados secos com solúveis (DDGS), subprodutos do processamento industrial da soja e do milho, respectivamente, são investigados devido à sua importância no cenário Sul-americano e seu potencial de valorização. Para ambos, as investigações abrangem a variabilidade composicional, as estruturas dos substratos, e reações enzimáticas, porém a ênfase das investigações é adaptada de acordo com as especificidades de cada substrato. Os estudos sobre a casca de soja concentraram-se no entendimento da estrutura hierárquica multi-escala nativa do substrato, a qual é preservada após a separação industrial das cascas. A casca de soja foi previamente considerada um substrato com alta suscetibilidade à conversão enzimática, o que favorece uma bioconversão sem pré-tratamentos termoquímicos. Essa possibilidade é confirmada nessa Tese. As características multi-escalas contribuem para a compreensão das origens estruturais da baixa recalcitrância da casca de soja. Em meio aquoso, a casca de soja tem alta porosidade em nanoescala, especialmente para tamanhos de poros maiores que tamanhos de enzimas ∽5mm. Além disso, teores de lignina são baixos e localizados, e a relativa pureza da celulose na estrutura da casca de soja também contribuem para a sua baixa recalcitrância em comparação com outras matérias-primas lignocelulósicas. Esses resultados fornecem uma base estrutural para compreender a baixa recalcitrância, possibilitando assim a criação de novas rotas de valorização biotecnológica da casca de soja. Por sua vez, o DDGS de milho é obtido a partir do processo de produção de etanol de milho e é composto, principalmente, pela fração não digerida dos grãos. Estudos conduzidos em regiões produtoras de etanol de milho, principalmente os Estados Unidos, demonstram que a variabilidade é um fator determinante para a valorização do DDGS. Com o surgimento da indústria de etanol de milho na América do Sul, a variabilidade do DDGS nesta região torna-se uma questão oportuna. Essa Tese investiga amostras de DDGS obtidas de plantas de processamento localizadas no Brasil, Paraguai e Argentina para a avaliação da variabilidade do DDGS na América do Sul e sua relação com hidrólise enzimática. As amostras investigadas apresentaram maior variabilidade composicional em comparação com dados reportados anteriormente em outras regiões. O teor de levedura em DDGS mostrou ser um fator de baixo impacto na variabilidade, enquanto o teor de extrativos e a proporção entre fibra de milho e proteína são os principais fatores de impacto. A hidrólise enzimática com coquetéis otimizados para a lignocelulose, a fibra de milho e a estrutura de leveduras demonstrou efeitos complementares e sinérgicos para a solubilização de componentes estruturais do DDGS em um conjunto de amostras pré-extraídas com alta variabilidade. Além disso, a resposta aos coquetéis enzimáticos pode ser correlacionada com as principais variações de composição do DDGS, estabelecendo dessa forma bases para estratégias de valorização do DDGS considerando seus padrões de variabilidade. Com esses resultados, essa Tese contribui com o estabelecimento de uma base de conhecimentos robusta para o desenvolvimento de estratégias de valorização para cascas de soja e DDGS de milho através de rotas enzimáticas.