PRODUÇÃO DE GOMA XANTANA A PARTIR DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS

Transcrição

1 PRODUÇÃO DE GOMA XANTANA A PARTIR DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS M. R. M. F. da COSTA 1, E. N. OLIVEIRA Jr 2 e E. R. NUCCI 1,2 1 Universidade Federal de São João Del Rei, Programa de Pós Graduação em Engenharia Química 2 Universidade Federal de São João Del Rei, Departamento de Química, Biotecnologia em Engenharia de Bioprocessos para contato: mariaritameyer@yahoo.com.br RESUMO A goma xantana é um polissacarídeo que apresenta grande importância comercial e pode ser utilizada como estabilizante e espessante em alimentos. É muito utilizada devido às suas características reológicas, como capacidade de alterar as propriedades básicas da água, além de possuir alta viscosidade em baixas concentrações, estabilidade em uma ampla faixa de temperatura e ph. O objetivo do trabalho foi avaliar o rendimento da produção de goma xantana por Xanthomonas campestris utilizando como substratos alternativos o leite de mandioca e o bagaço de cana-de-açúcar sob diferentes condições de volumes de substrato alternativo e de inóculo. Os resultados foram comparados com a goma produzida a partir de meio padrão de sacarose. A média encontrada pelos experimentos com a sacarose foi de 0,61 g.l -1; leite de mandioca, 2,81 g.l -1 e bagaço de cana-de-açúcar, 1,03 g.l -1. Esse resultado indica que é possível produzir o biopolímero a partir dos meios alternativos utilizando subprodutos da agroindústria. 1. INTRODUÇÃO As gomas são substâncias poliméricas capazes de formar dispersões, soluções altamente viscosas ou géis na presença de um solvente ou agente de inchamento apropriado, em baixas concentrações. Industrialmente, estas estão associadas aos polissacarídeos e seus derivados (Rodrigues et al., 1993). Até a década de 1950, os polissacarídeos utilizados no mercado internacional eram produzidos a partir de plantas. A partir de então surgiu uma nova geração desses produtos, de origem microbiana, produzidos sob condições controladas de fermentação, o que os tornam mais estáveis e sem problemas ocasionados em relação às variações climáticas. Estes produtos são usados como agentes espessantes, gelificantes, emulsificantes, floculantes e estabilizantes na indústria alimentícia, farmacêutica, cosmética e petrolífera (Luvielmo e Scamparini, 2009; Rodrigues et al., 1993). A goma xantana é um polissacarídeo natural, também chamado de biopolímero, produzida por bactérias gram-negativas do gênero Xanthomonas e possui estrutura primária formada por unidades repetidas de pentassacarídeos. Essa goma tem grande importância comercial, é atóxica e

2 pode ser utilizada em alimentos. É o polímero mais utilizado em alimentos no Brasil e no mundo, com aprovação pelo FDA (Food and Drug Administration) desde 1969 para utilização como estabilizante, emulsificante e espessante em alimentos, devido às suas características reológicas, como capacidade de alterar as propriedades básicas da água, além de possuir alta viscosidade em baixas concentrações, estabilidade em uma ampla faixa de temperatura e concentração de sais (Borges e Vendruscolo, 2008; Luvielmo et al., 2007; Luvielmo e Scamparini, 2009; Mothé e Correia, 2002; Nery et al., 2008). O atual processo de produção da xantana consiste nas etapas de obtenção do pré-inóculo, inóculo, fermentação, remoção das células, precipitação, separação e secagem da goma. No Brasil há um crescente mercado de goma xantana e toda a demanda utilizada é importada. Por isso pesquisas têm sido realizadas baseando-se na produção desta a partir de resíduos industriais, seleção de novas linhagens e adequação nas condições ótimas de crescimento celular, produção, purificação e recuperação do polissacarídeo, com o objetivo de produzir xantana a nível industrial de alta qualidade e rendimento (Luvielmo e Scamparini, 2009). O leite de mandioca apresenta em sua composição proteínas, carboidratos, fibras alimentares, cálcio, magnésio, vitamina C, entre outros (Abath, 2013). Esse leite pode ser utilizado como substituto de origem vegetal do leite animal, para pessoas com alergia à proteína do leite de vaca e intolerância à lactose. O bagaço de cana-de-açúcar é resultante da extração do caldo de cana e é um material lignocelulósico proveniente do setor sucroalcooleiro. Este setor é conhecido por gerar uma quantidade enorme de bagaço e pode ser utilizado em bioprocessos, como fonte para processos fermentativos, diminuindo os custos da produção e, conseqüentemente, diminuindo os riscos ambientais. Quando estes não são gerenciados de forma adequada, aumentam os riscos de problemas ao meio ambiente, pois o bagaço é um material rico em nutrientes. Além do que poderia suprir a demanda de goma, visto que toda a xantana utilizada no país é importada (Nogueira e Garcia, 2013; Battistelle et al., 2008; Selvi e Vijayagopal, 2014). O objetivo desse trabalho foi a viabilização da produção de goma xantana utilizando os meios alternativos compostos de diferentes concentrações de leite de mandioca e bagaço de canade-açúcar e diferentes volumes de inóculo com o intuito de se obter goma xantana com elevado rendimento e viscosidade. 2. METODOLOGIA A bactéria utilizada para a produção de goma xantana tanto para o meio padrão de sacarose como para os meios alternativos leite de mandioca e bagaço de cana-de-açúcar foi a cepa de Xanthomonas campestris (n 13951). Para a preparação do inóculo, foram vertidos 2 ml de pré-inóculo em meio YM líquido. Os erlenmeyers foram incubados em agitador orbital (shaker) a 180 rpm, a uma temperatura de 28 C ± 2 C por 24 horas. Após a preparação do inóculo, foi necessário a adição deste em cada erlenmeyer contendo os meios padrão e alternativo. Foram variadas as concentrações de meio alternativo e do volume de

3 inoculo para todos os ensaios. A fermentação foi realizada em shaker a 28 ± 2 C a 250 rpm durante 120 horas para a produção da goma xantana. Para a produção do biopolímero foram utilizados os meios alternativo leite de mandioca e bagaço de cana-de-açúcar, sendo necessário avaliar as variáveis e condições do processo utilizando um planejamento estatístico DCCR (Delineamento Composto Central Rotacional) fracionado 2 2 com 4 pontos axiais e triplicata no ponto central, totalizando 11 ensaios. A goma xantana produzida pelo meio padrão de sacarose foi obtida de forma a comparar com o meio alternativo. A metodologia de superfície de resposta foi utilizada para determinar a influência das variáveis estudadas e obter a composição do meio fermentativo. Para o ensaio com o substrato leite de mandioca foram variados os volumes de leite de mandioca e de inóculo, consistindo para a primeira variável, ponto mínimo de 61 ml e máximo de 89 ml. O ponto mínimo para o inoculo foi de 6,6 ml e máximo de 16,4 ml. Os volumes de água foram completados até chegar o volume final. Para o bagaço de cana-de-açúcar foram variadas as concentrações do bagaço de cana, ponto mínimo de 13 g.l -1 e máximo de 27 g.l -1 e do volume de inóculo, ponto mínimo para o inóculo foi de 6,6 ml e máximo de 16,4 ml. Os ensaios 1 ao 11 foram suplementados com mesma concentração de uréia (0,01 g) e fosfato de potássio dibásico (K 2 HPO 4 ) e os ph foram ajustados para ph 7 (Brandão, 2012). Após a fermentação, os biopolímeros foram precipitados em temperatura ambiente, por uma hora. A concentração utilizada foi de 3:1 de etanol e solução contendo goma xantana. As xantanas foram separadas do meio por método de filtração. Estas foram levadas à estufa por um período aproximado de 24 horas a uma temperatura de 45 ± 2 C. O rendimento do biopolímero foi obtido pelo método de gravimetria após a secagem. 3. RESULTADOS O rendimento da goma xantana produzida pela cepa da bactéria X. campestris utilizando meio padrão de sacarose e meios alternativos leite de mandioca e bagaço de cana-de-açúcar foram obtidos por gravimetria após a secagem. A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam os valores encontrados para o meio padrão e o meio alternativo leite de mandioca e bagaço de cana-deaçúcar.

4 Tabela 1 Planejamento experimental variando porcentagem de inóculo (%v/v) e porcentagem de leite de mandioca (% v/v) e rendimento Ensaios Inóculo (% v/v) Leite de mandioca (% v/v) Volume de água (ml) Rendimento (g.l -1 ) 1-1 (8,0) -1 (65) 27 2, (8,0) +1 (85) 7 2, (15,0) -1 (65) 20 2, (15,0) +1 (85) 0 2, ,41 (6,6) 0 (75) 18,4 2, ,41 (16,4) 0 (75) 8,6 2, (11,5) -1,41 (61) 27,5 2, (11,5) +1,41(89) 0 3, (11,5) 0 (75) 13,5 3, (11,5) 0 (75) 13,5 2, (11,5) 0 (75) 13,5 3,624 Tabela 2 Planejamento experimental variando porcentagem de inóculo (%v/v) e porcentagem de bagaço de cana-de-açúcar (% m/v) e rendimento Ensaios Inóculo (% v/v) Bagaço de cana-deaçúcar (% m/v) Volume de água (ml) Rendimento (g.l -1 ) 1-1 (8,0) -1 (1,5) 90,5 0, (8,0) +1 (2,5) 89,5 0, (15,0) -1 (1,5) 83,5 1, (15,0) +1 (2,5) 82,5 1, ,41 (6,6) 0 (2) 91,4 0, ,41 (16,4) 0 (2) 81,6 1, (11,5) -1,41 (1,3) 87,2 0, (11,5) +1,41(2,7) 85,8 1, (11,5) 0 (2) 86,5 1, (11,5) 0 (2) 86,5 1, (11,5) 0 (2) 86,5 0,980 O rendimento da sacarose para os dois experimentos foi de 0,612 e 0,607 g.l -1, para o experimento com o meio alternativo leite de mandioca e 0,582 g.l -1, para o bagaço de cana-deaçúcar. Os resultados foram obtidos por gravimentria logo após a secagem dos ensaios. Como podese perceber as gomas xantanas que apresentaram maior rendimento foram a partir dos ensaios 8, 9 e 11, para o leite de mandioca e 6, 8, 9 e 10, para o bagaço de cana. Isto pode ter ocorrido pelo fato das condições de processo nestes meios terem sido mais favoráveis ao micro-organismo durante a fermentação. Não houve produção de um ensaio contendo sacarose para o bagaço. A média encontrada pelo experimento com o meio padrão de sacarose foi de 0,61 g.l -1 e de meio alternativo contendo leite de mandioca foi de 2,81 g.l -1. No segundo planejamento, a

5 produção de sacarose foi de 0,582 g.l -1, enquanto que a média com bagaço de cana-de-açúcar foi de 1,034 g.l -1 ; obtendo maior produção com o meio alternativo. Segundo Menezes et al. (2012), a produção do biopolímero utilizando sacarose como fonte de carbono variou de 0,64 g.l -1 a 9,67 g.l -1, com uma média de 4,86 g.l -1. Os substratos fermentativos obtidos de resíduos agroindustriais variaram de 0,15 g.l -1 a 45 g.l -1 sendo produzidos por glicerina do biodiesel e resíduo do suco de maçã, respectivamente, com uma média de produção de 12,8 g.l -1. Houve ainda resultados favoráveis para produção de goma xantana utilizando como substrato o soro de leite, os rendimentos variaram em 12,01 g.l -1 a 36 g.l -1. Tanto o soro de leite quanto o resíduo de suco de maçã utilizados para a produção da goma xantana obtiveram rendimentos superiores ao registrado com o meio padrão de sacarose. De acordo com Nery et al. (2008), os valores da produção de goma xantana obtidas a partir de substrato alternativo soro de leite foram 21,90 g.l -1 e 12,36 g.l -1, respectivamente, enquanto a produção da xantana a partir de sacarose foi de 6,62 g.l -1, sendo que o meio alternativo teve produção três vezes maior que a produção com meio padrão. Segundo Gomes et. al (2015), os valores da produção do biopolímero obtido a partir do bagaço de cana-de-açúcar variando a aeração e agitação foi de 2,38 g.l -1, sendo sua maior produção de 7,62 g.l -1. Isto mostra que, mesmo com metodologia e variáveis independentes diferentes, estas exercem grandes influências nas soluções de biopolímero e há produção do produto desejado. O rendimento obtido pelas gomas xantanas produzidas por substratos alternativos apresentaram comportamento diferente, porém deseja-se alcançar o mesmo comportamento, que é a aproximação do ponto ótimo. Pela análise da superfície de resposta obtida pela Figura 1A, percebe-se que o ponto ótimo está em torno do ponto central. Observa-se na Figura 1B que existe uma tendência de encontrar uma faixa ótima de rendimento para a xantana quando aumentar a concentração de bagaço de cana-de-açúcar e de inóculo.

6 Figura 1 - Superfície de resposta dos rendimentos para o substrato leite de mandioca (A) e o bagaço de cana-de-açúcar (B) da goma xantana obtida pela variação da concentração de substrato alternativo e do volume de inóculo. Comparando os valores de produção das gomas xantanas obtidas a partir da sacarose, fonte de carbono padrão, com valores obtidos para as xantanas a partir dos meios alternativos constatam-se rendimentos maiores para a bioconversão a partir das fontes alternativas. Esse resultado indica que é possível obter goma xantana a partir do meio alternativo analisado, podendo reduzir os impactos ambientais provenientes dos resíduos liberados de forma inadequada no ambiente e reduzir os custos da produção. 4. CONCLUSÃO O uso do leite de mandioca e de bagaço de cana-de-açúcar como substratos alternativos à sacarose, para produção de goma xantana mostra-se uma alternativa interessante, sobretudo pelo fato do substrato bagaço de cana ser um resíduo agroindustrial importante. O leite de mandioca é um substrato interessante para a substituição ao leite de vaca por pessoas com intolerância à lactose ou alergia à proteína deste. No presente trabalho, nas condições experimentais adotadas, o rendimento médio de goma produzida a partir do substrato padrão sacarose foi de 0,61 g.l -1, enquanto que para os substratos alternativos foram 2,81 g.l -1 para o leite de mandioca e 1,03 g.l -1 para o bagaço de cana-de-açúcar. Os resultados do planejamento experimental realizado mostraram que as variáveis: concentração de substrato alternativo e volume de inóculo influenciaram no rendimento de forma positiva das gomas produzidas. Observou-se que existe uma tendência de encontrar uma faixa ótima de rendimento de xantana quando aumentar as variáveis do processo. Os resultados prévios apresentados neste trabalho estão sendo utilizados para realizar novos experimentos com o intuito de produzir gomas com altos rendimentos. A grande vantagem deste processo é que as gomas produzidas a partir da fermentação com os substratos alternativos teriam um baixo custo comparado ao custo de gomas produzidas a partir de

7 sacarose e ainda aproveitaria um resíduo agroindustrial que quando lançado nos mananciais, causa sérios problemas ambientais. 6. REFERÊNCIAS ABATH, T. N. Substitutos de leite animal para intolerantes à lactose. Universidade de Brasília, Brasília, BATTISTELLE, R. A. G., MARCILIO, C., LAHR, F. A. R. Emprego do bagaço da cana-deaçúcar (Saccharum officinarum) e das folhas caulinares do bambu da espécie Dendrocalamus giganteus na produção de chapas de partículas. DEC/FE/UN ESP-Bauru. LaMEM/SET/EESC- USP. Pesquisa e tecnologia Minerva, 5(3): , set. a dez BORGES, C. D.; VENDRUSCOLO, C. T. Goma Xantana: características e condições operacionais de produção. Universidade Estadual de Londrina. Londrina, BRANDÃO, L. V. Goma xantana obtida por fermentação da glicerina bruta residual do biodiesel: produção, caracterização e aplicação para fluido de perfuração de poços de petróleo. Universidade Federal da Bahia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Salvador, GOMES, G. V. P., ASSIS, D. J., SANTOS-EBINUMA, V. C., RIBEIRO, P. L. L., DRUZIAN, J. I. Influência aeração e agitação na produção, viscosidade e massa molecular das gomas xantana obtidas a partir do bagaço de cana. Universidade Federal da Bahia, Universidade Estadual Paulista. Araraquara. XX Simpósio nacional de bioprocessos. XI Simpósio de hidrólise enzimática de biomassa. Fortaleza, set LUVIELMO, M. M.; SCAMPARINI, A. R. P. Goma xantana: produção, recuperação, propriedades e aplicação. Estudos tecnológicos Vol. 5, n.1, p , LUVIELMO, M. M.; VENDRUSCOLO, C. T.; SCAMPARINI, A. R. P. Seleção de linhagens de Xanthomonas campestris para a produção de goma xantana. Universidade Estadual de Londrina. Semina: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 28, n.2, p , MENEZES, J. D. S.; DRUZIAN, J. I.; PADILHA, F. F.; DE SOUZA, R. R. Produção biotecnológica de goma xantana em alguns resíduos agroindustriais, caracterização e aplicações. Universidade de Santa Maria. Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental, vol.8, n.8, MOTHÉ, C. G.; CORREIA, D. Z., Caracterização reológica de blendas de gomas cajueiro e xantana em suco. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Revista Analytica, n.2, NERY, T. B. R.; BRANDÃO, L. V.; ESPERIDIÃO, M. C. A.; DRUZIAN, J. I. Biossíntese de goma xantana a partir da fermentação de soro de leite: rendimento e viscosidade. Universidade Federal de Bahia. Química Nova. Vol. 31, n.8, p , São Paulo, NOGUEIRA, M. A. F. S., GARCIA, M. S. Gestão dos resíduos do setor industrial sucroenergético: estudo de caso de uma usina no município de Rio Brilhante, Mato Grosso do

8 Sul. Revista do Centro de Ciências Naturais e Exatas - UFSM, Santa Maria. Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental - REGET - v. 17 n. 17, p , dez RODRIGUES, J. F.; PAULA, R. C. M.; COSTA, S. M. O. Métodos de Isolamento de Gomas Naturais: Comparação Através da Goma do Cajueiro (Anacardium occidentale L.). Universidade Federal do Ceará. Fortaleza, SELVI, V. VIJAYAGOPAL, V. Optimization of sugarcane bagasse hydrolysis and kinetic modelling of xanthan gum production using an isolated strain Selvi. National Conference on Green Engineering and Technologies for Sustainable Future Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences. JCHPS Special Issue 4, p ISSN: , dez