Reaproveitamento de resíduos agroindustriais : processo biosustentável para produção do exopolissacarídeo succinoglucana

Abstract

RESUMO: Atualmente são gerados uma quantidade considerável de resíduos agroindustriais e, desta forma, descobrir novos processos tecnológicos que promovam o seu beneficiamento pode levar a obtenção de produtos comercializáveis de menor custo e que impactam positivamente na preservação do meio ambiente. O reaproveitamento de resíduos agroindustriais para o desenvolvimento de processos biosustentáveis na produção de exopolissacarídeos bacterianos tem sido alvo de pesquisa nos últimos anos, com o objetivo de produzir biomateriais mais baratos, com maior rendimento e melhor aplicabilidade tecnológica. Estes exopolissacarídeos bacterianos, são estruturas químicas complexas e apresentam grande variabilidade estrutural e funcional, o que possibilita sua aplicação em diversos ramos industriais como alimentício, farmacêutico, cosmético e químico. Suas principais propriedades tecnológicas são: agentes espessantes, emulsificantes e gelificantes. É um exopolissacarídeo ácido, solúvel em água, que tem ganhado interesse industrial, pois apresenta propriedades tecnológicas superiores na promoção da viscosidade, além de, estabilidade frente aos diversos processos industriais. A viscosidade é afetada pelo tamanho da cadeia polissacarídica e pela presença e quantidade de substituintes não sacaridícos. A succinoglucana é composta por resíduos de galactose e glicose, unidos por ligações do tipo ? numa proporção molar de 1:7, apresentando, também, alguns substituintes não-sacarídeos como piruvato, succinato e acetato. A aplicabilidade tecnológica da succinoglucana pode ser afetada, uma vez que a mesma sofre variações em sua estrutura química de acordo com a fonte de carbono e cepa bacteriana utilizada para sua produção. Desta forma, resíduos agroindustriais como novas fontes de carbono são importantes na pesquisa para produção de succinoglucana. Uma boa sugestão é o soro de leite, pois é um resíduo agroindustrial de baixo custo, que possui em sua composição características nutricionais que favorecem o crescimento de microrganismos, possibilitando seu uso em processos fermentativos de bioconversão. Objetivos: O objetivo desse trabalho foi delinear a importância do reaproveitamento de resíduos agroindústrias para o desenvolvimento de processos fermentativos biosustentáveis na produção de exopolissarídeos, em especial a succinoglucana. Para tanto, foi realizada uma revisão, no qual foi realizado um estudo comparativo entre quatro diferentes fontes de carbono biosustentáveis utilizadas na produção de succinoglucanas: casca de arroz, xarope de tâmara, melaço de cana-de-açúcar e de beterraba. Também foi avaliada a capacidade de bioconversão do substrato, a estrutura química da molécula e seu perfil reológico. Um segundo estudo, o qual resultou num artigo científico, foi delineado para avaliar a produção de succinoglucana por Rhizobium radiobacter ATCC 4720 utilizando como fonte de carbono o soro de leite integral e desproteínado. A interferência dos íons nitrogênio, potássio e magnésio na bioconversão deste substrato foi verificada. As características estruturais e as propriedades reológicas da succinoglucana produzida também foram analisadas. Materiais e métodos: Um levantamento bibliográfico sobre as principais características das succinoglucanas e um estudo comparativo do reaproveitamento de quatro fontes de carbono biosustentáveis em sua produção foi realizado nesta revisão, avaliando como estas fontes afetam as características estruturais e reológicas desta molécula. No segundo artigo, foi avaliado o reaproveitamento do resíduo agroindustrial soro de leite integral e desproteínado como fonte de carbono na produção de succinoglucana. Oito meios de cultura foram elaborados com diferentes íons para bioconversão do soro do leite, utilizando o microrganismo Rhizobium radiobacter ATCC 4720. Para todas as formulações elaboradas, a fermentação foi conduzida em pH neutro, com 30 mg do microrganismo liofilizado, à 30 °C, com agitação orbital de 180 rpm, durante 8 dias consecutivos. No tempo zero e a cada 48 horas foram coletados 1 mL de amostra e realizada a quantificação da succinoglucana produzida por gravimetria. Ao final da fermentação foi quantificado o total produzido da succinoglucana, e esta foi liofilizada. Visando geração mínima de resíduos, somente a succinoglucana proveniente da formulação que apresentou melhor produção foi escolhida para ser utilizada nos ensaios de caracterização estrutural e reológica. Para elucidação estrutural foram realizadas as técnicas de Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) acoplada ATR e Espectroscopia Raman com Transformada de Fourier (FT-Raman). Os espectros no infravermelho foram obtidos utilizando as amostras em pó. A determinação da composição de monossacarídeos foi realizada por cromatografia em fase gasosa (CG). Na determinação do peso molecular da succinoglucana foi utilizado a técnica de cromatografia de exclusão estérica acoplada a detector de espalhamento de luz laser de multiângulos e detector diferencial de índice de refração (HPSEC-MALLS/RI). A espectroscopia de ressonância magnética nuclear RMN foi utilizada para confirmação estrutural e quantificação dos substituintes não sacarídeos succinato, piruvato e acetato. Para estudar as características reológicas foi utilizado reômetro avançado HAAKE MARS II com controle de tensão, deformação e taxa de cisalhamento, por meio de ensaios rotacionais e oscilatórios. Nos ensaios rotacionais relativos ao comportamento reológico, a viscosidade aparente das amostras com concentrações variando de 0,25-2,0% foram determinadas, aumentando-se progressivamente a taxa de cisalhamento. As propriedades viscoelásticas, módulo de armazenamento elástico (???) e módulo de perda viscosa (??") foram determinados por meio de varreduras oscilatórias em solução aquosa de 2,0%. Varreduras dinâmicas de temperatura foram realizadas em solução aquosa de 2,0% entre 5,0 ? e 75,0 ?, no ciclo de aquecimento e subsequente resfriamento, a uma taxa de ±2,0 ?. Resultados e discussão: Dentre os quatro processos tecnológicos biosustentáveis estudados nesta revisão, o emprego da casca de arroz hidrolisada apresentou melhor resultado e possibilitou a produção de 69,0 g/L de succinoglucana. Em relação as propriedades reológicas, o xarope de tâmara favoreceu a produção de uma succinoglucana de alta viscosidade, devido à alta massa molecular e índice de consistência (k). Para todas as succinoglucanas analisadas, o FTIR apresentou espectros com bandas típicas e similares as já estudadas, e o RMN possibilitou a identificação dos grupos não sacarídeos como o succinato, acetato e piruvato. Com o resultado deste estudo comparativo é possível alegar que a escolha da fonte de carbono e as condições operacionais do processo fermentativo influenciam nas características estruturais finais das succinoglucanas, tornando-as ideais ou não para aplicação em processos industriais. No segundo artigo, o soro de leite foi bioconvertido em succinoglucana pelo Rhizobium radiobacter ATCC 4720. A formulação composta por soro de leite desproteínado, fosfato de potássio monobásico e sulfato de magnésio possibilitou a produção de 13,7 ± 0,43 g/L de succinoglucana. Verificou-se que a suplementação do meio com magnésio e potássio são importantes para o processo de fermentação. As análises de FTIR e FT-Raman apresentaram espectros com bandas típicas e similares à succinoglucana comercial. A massa molar aparente da succinoglucana foi estimada em 9,033 x 105 g/mol e o índice de polidispersidade foi de 1,044, representando a homogeneidade da amostra. A composição sacarídica glicose e galactose para a succinoglucana produzida foi de 6,6:1,0. A análise de 1H RMN revelou o teor substituintes não-sacarídeos de 1,2%, 3,0% e 8,1% para acetato, succinato e piruvato, respectivamente. Os resultados reológicos mostraram que a viscosidade aparente das soluções de succinoglucana foi diretamente proporcional à concentração, e a solução apresentou comportamento pseudoplástico. Os ensaios dinâmicos de varredura de frequência identificaram que a concentração de 2,0% de succinoglucana é necessária para formação do sistema gel. A temperatura influenciou no comportamento viscoelástico da succinoglucana e revelou o ponto de fusão e a reversibilidade do gel. Conclusão: No artigo de revisão, ao avaliar as diferentes características estruturais e funcionais da succinoglucana obtida pelo reaproveitamento de quatro fontes de carbono biosustentáveis, ficou evidente que desenvolver novos métodos para a produção destas biomoléculas é um grande desafio, uma vez que, a fonte de carbono e a cepa bacteriana utilizada, afetam a molécula de succinoglucana sintetizada. O sucesso no desenvolvimento de um novo método biossustentável pode tornar viável a industrialização da succinoglucana, por reduzir o custo produtivo e possibilitar a obtenção de novas moléculas com características reológicas adequadas. Além disso, a reutilização de resíduos agroindustriais estimula a síntese verde e impacta positivamente na preservação do meio ambiente. No segundo artigo, o resíduo agroindustrial soro de leite foi bioconvertido em succinoglucana pelo Rhizobium radiobacter ATCC 4720. Uma melhor produção da succinoglucana ocorreu na ausência das proteínas do soro de leite e na presença de íons magnésio e potássio. Os estudos reológicos avançados das soluções de succinoglucanas revelaram comportamento não newtoniano e pseudoplástico. A viscosidade aparente das soluções avaliadas diminuiu significativamente com o aumento da taxa de cisalhamento, característica reológica importante, pois demonstra que a succinoglucana obtida pode ser aplicada nos processamentos industriais. De acordo com os resultados obtidos, a succinoglucana produzida apresenta potencial para ser utilizada como espessante e agente modificador de viscosidade em alimentos e outros produtos. O soro de leite mostrou ser uma fonte de carbono promissora e viável no processo de fermentação, o que possibilita o manejo e descarte correto deste resíduo, impactando positivamente na preservação do meio ambiente.

ABSTRACT: A considerable amount of agro-industrial residues are currently being generated and, thus, discovering new technological processes that promote their improvement can lead to obtaining marketable products at lower cost and that positively impact the preservation of the environment. The reuse of agro-industrial waste for the development of biosustainable processes in the production of bacterial exopolysaccharides has been the target of research in recent years, aiming to produce cheaper biomaterials, with higher yield and better technological applicability. These bacterial exopolysaccharides, are complex chemical structures and show great structural and functional variability, which enables their application in various industries such as food, pharmaceutical, cosmetics and chemicals. Its main technological properties are: thickening, emulsifying, and gelling agents. Succinoglycan is an acidic exopolysaccharide, soluble in water, and has been gaining industrial interest because it presents superior technological properties in promoting viscosity, in addition to stability in several industrial processes. The viscosity is affected by the size of the polysaccharide chain as well as the presence and amount of non-saccharide substituents. Succinoglycan is composed of galactose and glucose residues joined by ?-links in a molar ratio of 1:7, and it also has some non-saccharide substituents such as pyruvate, succinate, and acetate. The technological applicability of succinoglycan can be affected, since it suffers variations in its chemical structure according to the carbon source and the bacterial strain used for its production. Thus, agro-industrial residues as new carbon sources are important in the research for succinoglycan production. A suitable suggestion is the whey, because it is a low-cost agroindustrial waste, which has in its composition nutritional characteristics that favor the growth of microorganisms, enabling its use in fermentative processes of bioconversion. Objectives: The objective of this work was to outline the importance of the reuse of agro-industrial wastes for the development of biosustainable fermentative processes in the production of exopolysaccharides, in particular succinoglycan. To this end, a review was conducted, in which succinoglycans were specifically addressed. A comparative study between four different biosustainable carbon sources used in the production of succinoglycans was performed in this review: rice husk, date syrup, sugar cane and beet molasses. The bioconversion capacity of the substrate, the chemical structure of the molecule and its rheological profile were also evaluated. A second study, which resulted in a scientific article, was designed to evaluate the production of succinoglycan by Rhizobium radiobacter ATCC 4720 using whole and deproteinized whey as carbon source. The interference of nitrogen, potassium and magnesium ions on the bioconversion of this substrate was tested. Structural characteristics and rheological properties of produce succinoglycan were also analyzed. Materials and methods: A bibliographical survey on the main characteristics of succinoglycans and a comparative study of the reuse of four biosustainable carbon sources in their production was carried out in this review, evaluating how these sources affect the structural and rheological characteristics of this molecule. In the second article, the reuse of whole and deproteinized agro-industrial whey as a carbon source in the production of succinoglycan was evaluated. Eight culture media were prepared with different ions for whey bioconversion, using the microorganism Rhizobium radiobacter ATCC 4720. For all formulations prepared, fermentation was conducted at neutral pH, with 30 mg of the lyophilized microorganism, at 30 °C, with orbital agitation of 180 rpm, for 8 consecutive days. At the start time and every 48 hours, 1 mL of sample was collected and the quantification of the succinoglycan produced was performed by gravimetry. At the end of fermentation, the total amount of succinoglycan produced was quantified, and it was lyophilized. Aiming at minimum waste generation, only the succinoglycan resulting from the formulation that presented the best production was chosen to be used in the structural and rheological characterization tests. For structural elucidation, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) coupled with ATR and Fourier Transform Raman Spectroscopy (FT-Raman) were performed. The infrared spectra were obtained using the powdered samples. The determination of the monosaccharide composition was performed by gas chromatography (GC). For the determination of succinoglycan molecular mass, it was used the technique of steric exclusion chromatography coupled with a multi-angle laser light scattering detector and a differential refractive index detector (HPSEC-MALLS/RI). And NMR nuclear magnetic resonance spectroscopy was used for structural confirmation and quantification of the non-saccharide substituents succinate, pyruvate, and acetate. To study the rheological characteristics, an advanced rheometer HAAKE MARS II with stress, strain and shear rate control was used through rotational and oscillatory tests. In the rotational tests concerning the rheological behavior, the apparent viscosity of the samples with concentrations ranging from 0.25-2.0% were determined by progressively increasing the shear rate. The viscoelastic properties, elastic storage modulus (???) and viscous perch modulus (??") were determined by means of oscillatory sweeps in 2.0% aqueous solution. Dynamic temperature sweeps were performed in 2.0% aqueous solution between 5.0 ? and 75.0 ?, in the heating and subsequent cooling cycle, at a rate of ±2.0 ? Results and discussion: Among the four technological biosustainable processes studied in this review, the use of hydrolyzed rice husk presented the best result and allowed the production of 69.0 g/L of succinoglycan. Regarding the rheological properties, the date syrup favored the production of a succinoglycan with high viscosity, due to its high molecular mass and consistency index (k). For all the succinoglycans analyzed, the FTIR showed spectra with typical bands similar to those already studied, and the NMR allowed the identification of non-saccharide groups such as succinate, acetate, and pyruvate. With the result of this comparative study, it is possible to affirm that the choice of the carbon source and the operational conditions of the fermentative process influence the final structural characteristics of succinoglycans, making them ideal or not for application in industrial processes. In the second article, whey was bioconverted into succinoglycan by Rhizobium radiobacter ATCC 4720. The formulation consisting of deproteinated whey, monobasic potassium phosphate and magnesium sulfate allowed the production of 13.7 ± 0.43 g/L of succinoglycan. Supplementing the medium with magnesium and potassium was found to be important for the fermentation process. The FTIR and FT-Raman analysis showed spectra with typical bands similar to standard succinoglycan. The apparent molar mass of succinoglycan was estimated to be 9.033 x 105 g/mol and the polydispersity index was 1.044, representing the homogeneity of the sample. The saccharide composition of glucose and galactose for the succinoglycan produced was of 6.6:1.0. The ¹H NMR analysis revealed the non-saccharide substituent content of 1.2%, 3.0% and 8.1% for acetate, succinate and pyruvate, respectively. Rheological results showed that the apparent viscosity of succinoglycan solutions was directly proportional to the concentration, and the solution exhibited pseudoplastic behavior. Dynamic frequency scanning tests identified that a concentration of 2.0% of succinoglycan is required for formation of the gel system. Temperature influenced the viscoelastic behavior of succinoglycan and revealed the melting point and reversibility of the gel. Conclusion: In the review article, by evaluating the different structural and functional characteristics of succinoglycan obtained by the reuse of four biosustainable carbon sources, it became evident that developing new methods for the production of these biomolecules is a great challenge, since the carbon source and the bacterial strain used affect the synthesized succinoglycan molecule. The success in the development of a new biosustainable method can make the industrialization of succinoglycan viable, by reducing the production cost and allowing the obtainment of new molecules with adequate rheological characteristics. Moreover, the reuse of agro-industrial residues stimulates the green synthesis and positively impacts the preservation of the environment. In the second article, the agro-industrial whey waste was bioconverted into succinoglycan by Rhizobium radiobacter ATCC 4720. An improved succinoglycan production occurred in the absence of whey proteins and in the presence of magnesium and potassium ions. The advanced rheological studies of the succinoglycan solutions revealed non-Newtonian and pseudoplastic behavior. The apparent viscosity of the evaluated solutions decreased significantly with increasing shear rate, an important rheological characteristic, as it demonstrates that the obtained succinoglycan can be applied in industrial processing. According to the results obtained, the succinoglycan produced has the potential to be used as a thickener and viscosity modifier agent in food and other products. Whey proved to be a promising and viable carbon source in the fermentation process, which enables the correct management and disposal of this waste, positively impacting the preservation of the environment.