Produção de pectinases por fermentação no estado sólido para obtenção de ácido D-Galacturônico em biorrefinarias

Orientador : Prof. Dr. David Alexander MitchellCo-orientadora : Profa. Dra. Nadia KriegerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Bioquímica. Defesa: Curitiba, 27/02/2012Bibliografia: fls. 78-86Resumo: Biorrefinaria e um novo conceito que abrange as instalações industriais que utilizam a biomassa como matéria-prima para a produção de intermediários químicos, combustíveis e energia, analogamente as refinarias de petróleo. As biorrefinarias possuem três características principais: a preocupação com a utilização máxima da biomassa, a flexibilidade da planta para a utilização de diferentes fontes de matéria-prima, e o não comprometimento da área arável destinada a produção de alimentos. As biorrefinarias surgiram, portanto, para atender a crescente demanda por energia e materiais de origem renovável e obtidos em processos sustentáveis, ou seja, que minimizam seu impacto no meio ambiente. A biomassa de resíduos agroindustriais ricos em pectina, como a polpa cítrica, a polpa de beterraba e a cabeça de girassol, são bastante abundantes em alguns países e podem ser exploradas para a produção do acido D-galacturonico. Este composto possui alto valor agregado e podem ser vendido diretamente as indústrias de alimentos e cosméticos, ou pode servir como intermediário químico para a produção de outros compostos como a vitamina C e bioplasticos. Este trabalho avaliou duas estratégias de produção de acido D-galacturonico: (1) a produção de pectinases e hidrolise simultânea de um substrato rico em pectina e (2) a produção de pectinases para a aplicação sequencial em hidrolise do substrato. A fermentação no estado solido (FES) foi o processo escolhido para ambas as estratégias devido ao menor custo operacional e a maior produtividade de pectinases quando comparada a fermentação submersa. A primeira estratégia se baseou na utilização de uma cepa recombinante, o Aspergillus Níger ATCC 1015 ?gaaA, cedida pelo centro de pesquisa da VTT, Finlândia, onde foi deletado o gene da galacturonato redutase (gaaA). Esta enzima e a primeira da via do catabolismo do acido D-galacturonico, e a ausência da sua expressão impediria o consumo deste açúcar pelo microrganismo. No entanto, verificou-se que a cepa não foi capaz de acumular o acido D-galacturonico no solido fermentado. Na segunda estratégia foram testadas as linhagens A. Níger ATCC 1015, A. Níger CH4, A. Níger AW96, A. Níger AD96 e um Aspergilus SP. Ainda não identificado, isolado durante este trabalho. Os meios sólidos utilizados consistiram numa mistura de 30% (m/m) de bagaço de cana e 70% de outros substratos, bagaço de laranja, bagaço de laranja lavado ou farelo de trigo. A combinação de microrganismo e meio que resultou em maior atividade de pectinases foi o Aspergillus sp. em bagaço de laranja lavado, com 77 U/g em 19 horas de cultivo. Isto corresponde a uma produtividade de quatro U.G-1.h-1, que já e adequada para dar continuidade aos estudos de aumento de escala.Abstract: as feedstock for the production of chemical intermediates, fuel and energy, similarly to the petroleum refineries. Biorefineries have three main characteristics: the concern with the maximum utilization of biomass, the plant's flexibility to use different sources of raw material, and no impairment of Biorefinery is a new concept that includes industrial plants that use biomass arable land used to produce food. Biorefineries appeared, therefore, to meet the growing demand for energy and materials obtained from renewable sources and sustainable processes, which minimize their impact on the environment. Pectin-rich agroindustrial wastes, such as citric pulp, sugar beet pulp and sunflower heads, are quite abundant in some countries and can be exploited for the production of D-galacturonic acid. This compound has a high added value and can be sold directly to the food and cosmetics industry, or can be used as an intermediate in the chemical industry to produce other compounds such as vitamin C and bioplastics. The current research evaluated two strategies for the production of D-galacturonic acid: (1) the production of pectinases and simultaneous hydrolysis of a pectin-rich substrate and (2) the production of pectinases for subsequent application in the hydrolysis of substrate. Solid-state fermentation (SSF) was chosen for both strategies due to the lower operational cost and greater productivity of pectinases compared to submerged fermentation. The first strategy was based on the utilization of a recombinant strain, Aspergillus niger ATCC 1015 ?gaaA, courtesy of VTT, Technical Reserch Centre of Finland. In this strain the gene gaaA, which codes for galacturonate reductase, was deleted. This enzyme catalyzes the first step in the catabolism of galacturonic acid, and its absence should prevent the consumption of this sugar by the organism. However, this sugar did not accumulate during solid state fermentation. In the second strategy, the following strains were tested: A. niger ATCC 1015, A. niger CH4, A. niger AW96, A. niger AD96 and a yet unidentified Aspergillus sp. strain, isolated during this research. The solid media used consisted of a mixture of 30% (w/w) of sugar cane bagasse and 70% of other substrates, such as orange peel, washed orange peel or wheat bran. The combination of organism and substrate that resulted in the highest pectinase activity, 77 U/g in 19 hours of culture, was the Aspergillus sp. strain grown with washed orange peel. This result corresponds to a productivity of 4 U g-1 h-1, which provides a good basis for future scale-up studies