Otimização da Produção e Caracterização de Goma Xantana Empregando Caldo de Cana

Xanthan gum production and its structural characterization under the conditions optimized by experimental design were the main objectives of this study. Several reports point to the sugar cane broth as an excellent raw material for the production of fermentable media, under the microbial species different action (bacteria, yeasts, fungi) in the products biosynthesis of commercial interest. In this context, the forward supply of sugarcane cultivars in Brazil, this research was motivated the development of xanthan gum by Xanthomonas campestris pv. campestris NRRL B-1459 using diluted sugar cane broth for experiments with during 24 h, through a sequence defined by two design, built from the Statistica Software. The first one selected to evaluate the effects of sucrose (12.13 to 37.87 g.L-1), yeast extract (until 6.0 g.L-1) and ammonium nitrate (until 1.714 g.L-1) concentrations in the responses that indicate the process performance (gum concentration, conversion of substrate to product (P/S), and apparent viscosity of xanthan solution). The second design complementary to the first consolidated the interactions due the agitation speed (500 to 1000 rpm) and aeration rate (0.25 to 0.75 vvm) in non-Newtonian behavior of the system. After interpretation of responses, considering the contour curves generated by the adjusted models, the costs involved in the biotransformation was selected this set of variables (27.0 g.L-1 sucrose, 1.8 g.L-1 yeast extract, 0.8 g.L-1 NH4NO3, 750 rpm and 0.35 vvm) to proceed the kinetic parameters prediction of the Weiss & Ollis (1980) model, by adjusting the experimental data (cell growth, substrate consumption and product formation) and, the structural characterization of xanthan gum. This test has reached 16.40 g.L-1 of gum, conversion YP/S equal to 0.61 g.g-1 and viscosity of 1% (w/v) 23000.0 cP at 0.75 s-1. The molecular weight (MW) and total sugar content obtained for the gum, considering the polymerization carried out at the optimum point were 4.172*106 Da and 85.3%, respectively, distributed in 43% glucose, 32% mannose and glucuronic acid 24% in the 1.79:1.33:1 proportion. The infrared spectrum recorded remarkable groups in the elucidation of the compound and, when the samples, commercial and optimized, subject to comparison, sent their bands in the regions of wavelength equivalent to the gum similarity has been confirmed. The gum also was evaluated using the Nuclear Magnetic Resonance Proton (1H NMR) technique and, therefore, identified in the last stage by common chemical shifts ( ppm) the hydrogen nucleus and the presence proton at α-anomeric and proton at β carbon of hexoses or pentoses, proton of carbon connected to oxygen, proton H6 of rhamnose and proton of glucuronic and uronic acid. Additionally to the main purposes of this study, an complementary fermentation using sugarcane broth hydrolyzate at 40 g.L-1 sucrose by invertase action, had its performance to the cell growth (7.57 g.L-1) over the biosynthesis (13.70 g.L-1) usually reported.Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDoutor em Engenharia QuímicaA produção de goma xantana e a sua caracterização estrutural decorrente das condições otimizadas através de planejamentos experimentais foram os principais objetivos desse estudo. Vários relatos apontam o caldo de cana-de-açúcar como excelente matéria-prima para a elaboração de meios fermentescíveis, sob a ação de diferentes espécies microbianas, (bactérias, leveduras, fungos) na biossíntese de produtos de interesse comercial. Nesse contexto, frente à oferta de cana nos cultivares do Brasil, esta pesquisa foi motivada ao desenvolvimento de goma xantana por Xanthomonas campestris pv. campestris NRRL B-1459 utilizando caldo de cana diluído para experimentos com duração de 24 h, através de uma seqüência definida por duas matrizes, construídas a partir do Software Statistica. A primeira delas, selecionada para verificar os efeitos das concentrações de sacarose (12,13 a 37,87 g.L-1), extrato de levedura (máximo de 6,0 g.L-1) e nitrato de amônio (máximo de 1,714 g.L-1) nas respostas que indicam a performance do processo (concentração de goma, conversão de substrato à produto (P/S), e viscosidade aparente da xantana em solução). A segunda matriz complementar à primeira, consolidou as interações advindas da velocidade de agitação (500 a 1000 rpm) e da taxa de aeração (0,25 a 0,75 vvm) no comportamento não-newtoniano do sistema. Após interpretação das respostas, considerando as curvas de contorno geradas pelos modelos ajustados, os custos envolvidos na biotransformação, selecionou-se esse conjunto de variáveis (27,0 g.L-1 de sacarose; 1,8 g.L-1 de extrato de levedura; 0,8 g.L-1 NH4NO3; 750 rpm e 0,35 vvm) para prosseguir à predição dos parâmetros cinéticos do modelo de Weiss & Ollis (1980), por ajuste dos dados experimentais (crescimento celular, consumo de substrato e formação de produto) e, à caracterização da estrutural da goma xantana. Esse ensaio promoveu 16,40 g.L-1 de goma, conversão YP/S igual a 0,61 g.g-1 e viscosidade da solução 1% (m/v) 23000,0 cP a 0,75 s-1. A massa molecular (MW) e o teor de açúcar total obtidos para a xantana, considerando a polimerização conduzida no ponto ótimo foram 4,172*106 Da e 85,3%, respectivamente, assim distribuídos, em glucose 43%, manose 32% e ácido glucurônico 24% na proporção 1,79:1,33:1. O espectro de infravermelho registrou grupos marcantes na elucidação do composto e, quando as amostras, comercial e otimizada, sujeitas à comparação, emitiram suas bandas em regiões de comprimento de ondas equivalentes, a similaridade das xantanas se confirmou. A goma, ainda, foi avaliada pela técnica da Ressonância Magnética Nuclear de Próton (RMN 1H) sendo, portanto, identificada em último estágio por deslocamentos químicos ( ppm) comuns ao núcleo de hidrogênio como a presença de prótons α-anoméricos e prótons de carbonos β de hexoses ou pentoses, prótons de carbonos conectados a oxigênio, próton de H6 de ramnose e prótons de ácidos glucurônicos e urônicos. Adicionalmente aos principais propósitos deste estudo, uma fermentação complementar utilizando hidrolisado de caldo de cana a 40 g.L-1 de sacarose, por ação da invertase, teve seu desempenho voltado para a propagação celular (7,57 g.L-1) em detrimento à biossíntese (13,70 g.L-1) normalmente reportada