Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares

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1 capítulo 6 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares Adenise Lorenci Woiciechowski Júlio Cesar de Carvalho Michele Rigon Spier Sascha Habu Caroline Tiemi Yamaguishi Vanessa Ghiggi Carlos Ricardo Soccol Neste capítulo apresentaremos As informações apresentadas neste capítulo permitem que o aluno: 1. Tenha uma noção da quantidade de resíduos agroalimentares gerados no Brasil; 2. Perceba o potencial desses resíduos como matérias-primas para processos diversos; 3. Conheça alguns produtos produzidos a partir de resíduos agroindustriais; 4. Saiba como classificar resíduos quanto à forma de geração, a composição, a concentração e o potencial de contaminação; 5. Note como as características dos resíduos determinam as possibilidades de processamento; 6. Proponha aplicações para outros resíduos agroindustriais, a partir das suas características. Resíduo ou subproduto? Toda e qualquer atividade humana, seja ela industrial ou caseira e individual, gera resíduos e subprodutos com as mais variadas e amplas características em termos de quantidade e qualidade, potencial poluidor e de recuperação, reuso e reaproveitamento. A produção brasileira de queijos, por exemplo, foi de cerca de 650 mil toneladas em 2010, com uma tendência de crescimento de 7% ao ano. O principal resíduo da produção de queijo é o soro, cujo potencial poluidor é imenso. Uma pequena indústria que produza kg/dia de queijo gera 10 m 3 de soro, com DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) equivalente à de um esgoto municipal gerado por 5 mil habitantes. No entanto, 1 m 3 de soro poderia ser: vendido in natura para o uso em ração animal, por cerca de R$ 1,00/m 3 ; transformado em biogás gerando 250 kwh/m 3 de soro; seco, fornecendo 80 kg de soro em pó, vendido a R$ 1 a 2,50/kg; fracionado a 20 kg de proteína e 45 kg de lactose bruta. Esse soro poderia também ser usado como substrato em processo fermentativo, para produzir bebidas lácteas, ácido lático, ou quase 30 litros de etanol. 143

2 144 Biotecnologia de Alimentos Portanto, o que faz de um material um resíduo, um subproduto, ou uma matéria-prima é o seu uso em um novo processamento, consequência direta das suas características. Neste capítulo, serão discutidos volumes de geração, classes de resíduos e possíveis reusos e/ou aplicações biotecnológicas para diversos resíduos agroindustriais, que em função de suas características podem ainda ser usados como matéria-prima para um novo processo. Geração e uso de resíduos agroindustriais A produção de alimentos no Brasil é representada pela agricultura, que atinge cerca de 1Gt por ano, além de produtos da agropecuária, como derivados da carne, leite e ovos. Tais produtos podem ser divididos em dois tipos básicos: os que são minimamente processados, como as frutas e verduras, e os que sofrem processamento para separação de frações de interesse, seja para alimentos ou bioenergia. Ambos geram resíduos agroindustriais em volumes da ordem de bilhões de toneladas por ano (Tabela 6.1), mas no primeiro caso a geração ocorre no momento do consumo, na forma de resíduos orgânicos mistos, distribuídos nos aglomerados urbanos. Já no segundo, a geração ocorre em plantas agroindustriais, criando volumes concentrados de biomassa. Embora seja possível utilizar lixo orgânico como matéria-prima para alguns processos, restrições sanitárias e custos de transporte limitam a sua utilização e fazem que os resíduos sejam encarados como um problema. Logo, esse tipo de resíduo acaba sendo depositado em aterros sanitários, os quais demandam um gasto elevado. Para os resíduos gerados de forma concentrada, várias são as oportunidades disponíveis para a valorização, e estes passam a ser encarados como subprodutos. Um dos exemplos clássicos é o do soro de leite, visto há algumas décadas como um resíduo altamente poluidor e que hoje é em parte processado para recuperação de proteínas, podendo também ser concentrado, desidratado e usado na formulação de outros produtos alimentícios. De uma forma geral, o processamento agroindustrial consiste na recepção de matéria-prima, remoção de sujidades, descascamento, desintegração e separação de componentes de interesse (suco, Tabela 6.1 Principais culturas processadas no Brasil e seus principais resíduos. 29 Cultura Produção anual (milhões de toneladas) a Resíduos de processamento b Produção de resíduos (milhões de toneladas) Cana-de-açúcar 693,49 Vinhaça 406,25 bagaço 138,7 Soja 62,49 casca 3,12 melaço 11,92 vinhaça 33,34 Milho 52,36 farelo 9,43 Mandioca 26,04 bagaço 26,04 manipueira 15,63 Laranja 18,66 polpa cítrica 9,14 Arroz 11,95 casca 1,55 farelo 9,56 Total 864,99 664,68 Biomassa seca equivalente 208,748 c 121,401 c Outras culturas acima de ton./ano: banana, coco, tomate, trigo etc. 44,1 variável Nota: a média ; b resíduos com teores variáveis de sólidos; c considerando os respectivos teores de sólidos.

3 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 145 polpa, fécula, gérmen etc.), que serão submetidos tipicamente a processos de fermentação, concentração ou secagem. Os subprodutos gerados variam enormemente e podem ser classificados de várias formas, como está descrito a seguir. Classificação de resíduos agroindustriais Estado e concentração: Quanto ao estado, há resíduos sólidos, como bagaço de cana-de- -açúcar, de mandioca, cascas de cereais etc., e resíduos líquidos, como a manipueira, o soro de leite ou águas de lavagem. Quanto à concentração, as aparências enganam: resíduos sólidos retêm muita água, apresentando teores de matéria seca, às vezes, inferiores a 20% (como o bagaço de malte, que pode ter 15% de sólidos), enquanto alguns resíduos líquidos apresentam teores de sólidos superiores a 5% (manipueira, com 6% a 8% de sólidos e o soro de leite, com cerca de 10%). Em alguns casos, a concentração dos resíduos é aumentada no processamento, como na evaporação de melaços ou na secagem de polpa cítrica; as concentrações de sólidos atingidas estabilizam o material e facilitam o seu transporte. Contaminação microbiológica: A carga microbiana originalmente presente nos resíduos depende da origem e da facilidade com que o resíduo é decomposto. No processamento automatizado de matérias-primas agroindustriais não há a mesma necessidade de seleção que para vegetais com mínimo de processamento, mas todos eles têm micro-organismos presentes naturalmente nas cascas de cereais, frutos, caules e raízes. Além da microflora natural, há micro- -organismos em frutos feridos (em decomposição) ou que crescem e se desenvolvem de forma natural durante a armazenagem, por exemplo, fungos em cereais. Quando a matéria-prima passa por processamento térmico, o resíduo gerado apresenta carga microbiana reduzida como a vinhaça de cana. Outros são relativamente estáveis, como as palhas de arroz ou cascas de soja, que têm decomposição lenta, devido à sua composição e baixa umidade. Alguns resíduos são ácidos, como o bagaço de uva, o que pode retardar a sua putrefação, mas não a fermentação alcoólica ou lática; e há resíduos altamente fermentescíveis, como o soro de leite, cuja carga microbiana aumenta rapidamente na ausência de um processo de conservação. Composição química: A gama de resíduos agroindustriais é tão grande quanto a de matérias- -primas geradoras. No entanto, podem-se classificar os resíduos de acordo com a principal fonte de carbono presente em: resíduos sacarídicos contendo mono e oligossacarídeos, resíduos amiláceos, resíduos oleaginosos e resíduos celulósicos. No primeiro caso, os resíduos são altamente fermentescíveis; no segundo, os resíduos são de degradação mais difícil, já que é necessária a hidrólise do amido; no terceiro, a degradação é dificultada pela característica insolúvel da fonte de carbono, e no caso de resíduos lignocelulósicos, a transformação é especialmente difícil porque envolve a hidrólise da celulose e às vezes a degradação da hemicelulose e da lignina presentes na estrutura do material. Resíduos com altos teores proteicos ou lipídicos são menos comuns, e em geral são utilizados diretamente na formulação de rações. Além da fonte de carbono, a presença de nitrogênio, fósforo e outros minerais determinam a facilidade de biotransformação de um resíduo. Na maioria dos casos, é necessário adicionar componentes, formulando um meio de cultivo adequado, o que é especialmente importante no caso de resíduos lignocelulósicos. Processamento de resíduos agroindustriais Além da composição, a forma como um resíduo é gerado ou pré-tratado tem influência direta na sua utilização, uma vez que o teor de umidade e a carga microbiana dependem desse processamento. No caso de se utilizar o resíduo para cultivos de micro-organismos, após a geração, deve-se transportar, armazenar, eventualmente pré-tratar ou esterilizar o resíduo, formular um meio de cultivo, realizar o cultivo, e processar o material fermentado. Transporte e armazenamento: O transporte é a primeira limitação econômica para o aproveitamento de resíduos, uma vez que consome energia, mão de obra e, portanto, gera custos. Como os resíduos agroindustriais representam um potencial poluidor imenso, a sua concen-

4 146 Biotecnologia de Alimentos tração e secagem pode ser necessária para diminuir massas e volumes a transportar. Ainda assim, o baixo valor agregado a estes resíduos inviabiliza o transporte por longas distâncias. Considerando por exemplo um valor de frete de R$ 0,20 por tonelada por quilômetro rodado, o litro de etanol derivado de bagaço de mandioca teria de incluir R$ 0,04 ao seu custo final, para uma distância de 50 km entre a geração e o uso do resíduo (o que representa um aumento de cerca de 4% no preço ao distribuidor). O armazenamento também deve ser visto com cuidado: quanto maior a temperatura ambiente, teor de umidade no resíduo e o conteúdo de matéria orgânica, mais fácil será a sua degradação. Tudo considerado, é importante processar os resíduos o mais próximo possível da sua geração, no menor tempo possível e, se for viável, estabilizá-los por secagem ou concentração. Pré-tratamento: Alguns resíduos podem ser processados diretamente, como por exemplo os resíduos que possuem altos teores de mono e oligossacarídeos. No entanto, dependendo da aplicação, resíduos amiláceos e lignocelulósicos podem exigir uma etapa prévia de hidrólise ácida ou enzimática, essencial para liberar açúcares diretamente fermentescíveis. Mesmo no caso de processos com micro-organismos capazes de produzir enzimas hidrolíticas, a redução de tamanho de partícula (para resíduos sólidos) ou pré-tratamentos menos convencionais, como a explosão a vapor no caso de resíduos lignocelulósicos, podem auxiliar a exposição do substrato e a sua digestão. Em casos específicos podem ser necessários tratamentos como decantação ou filtração (uma demanda para melhorar o processamento do produto, por exemplo, na produção de álcool), ou remoção de outros componentes indesejáveis e/ou tóxicos como o cianeto (CN ) da manipueira e cafeína e taninos da casca de café. Esterilização e carga microbiana: Considerando a desejável redução da carga microbiana presente na matéria-prima, é comum esterilizar os resíduos a serem processados. Embora a esterilização pareça uma etapa óbvia, ela consome energia, portanto tem impacto no valor do produto, e em alguns casos pode ser dispensada. Algumas estratégias podem reduzir a necessidade de esterilização, especialmente para resíduos que já sofreram processamento térmico, como na secagem do bagaço de mandioca, da polpa cítrica, ou para resíduos lignocelulósicos (mais difíceis de degradar, como a palha de arroz). Nesses casos, o uso de inóculos com alta concentração celular do micro-organismo de interesse pode ser suficiente para manter o predomínio de uma população desejada de micro-organismos. Se a esterilização for ser necessária, ela pode ser realizada em conjunto com outras operações no caso de resíduos lignocelulósicos, por exemplo, a esterilização pode ocorrer no pré-tratamento ácido. Além do processamento térmico, o uso de micro-organismos selecionados (com rápida velocidade de crescimento no substrato) é essencial para controlar melhor o processo. Relação carbono/nitrogênio (C/N) e formulação: A maioria dos micro-organismos utilizados em cultivos à base de resíduos fungos, bactérias e leveduras apresenta uma composição centesimal que exige uma proporção carbono:nitrogênio:fósforo (C:N:P) igual a 100:20:1 em massa. Essa proporção é incomum nos substratos, uma vez que a maioria dos resíduos agroindustriais deriva de matérias-primas ricas em carboidratos, mas relativamente pobres em proteínas (a principal fonte de nitrogênio em resíduos), como frutas, cana-de-açúcar e mandioca. No caso de cereais, cujos grãos apresentam teores proteicos maiores, as proteínas são aproveitadas e não chegam a fazer parte do resíduo que é, também, pobre em nitrogênio, como é o caso de palhas, cascas ou bagaços lignocelulósicos. A mesma situação é verificada com o fósforo. Por isso, alguns resíduos de nitrogênio e fósforo devem ser adicionados para que sejam usados como substratos eficientes para bioprocessos. Em geral, esses componentes encontram-se na forma de nitratos e sais de amônio, e de fosfatos. Alguns macroelementos e microelementos podem também ser necessários. Bioprocesso: Pode ser definido como um processo de transformação de uma dada matéria- -prima envolvendo uma célula viva, seja ela um micro-organismo (fungo, levedura ou bactéria), ou parte de uma célula, um catalisador (enzima) ou uma alga que acumulem no meio de cultivo uma série de bioprodutos produzidos no metabolismo desses micro-organismos. Pode-se também denominar como bioprocessos cultivos celulares, processos fermentativos, dependendo do tipo de organismo e do processo envolvido.

5 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 147 Além das várias possibilidades de fracionamento físico-químico, os resíduos agroindustriais podem ser processados por fermentação submersa ou fermentação sólida. No caso da fermentação submersa, resíduos líquidos podem ser utilizados diretamente após a formulação (por exemplo, manipueira), enquanto os sólidos necessitam de um pré-processamento (por exemplo, a hidrólise ácida de resíduos lignocelulósicos). No caso da fermentação sólida, o teor de umidade e a aeração no material são críticos, o que causa impacto na área exigida para o cultivo. Em ambos os casos, o pós-processamento do fermentado (downstream) é necessário, podendo ser simples, como a filtração e secagem de SCP (single cell protein proteína unicelular) produzida a partir de um resíduo líquido, ou mais complexa, como na extração e purificação de enzimas produzidas por Fermentação em Estado Sólido (FES) de substratos lignocelulósicos (para maiores informações sobre FES, vide Capítulo 5). A principal diferença entre esses processos e os processos fermentativos industriais clássicos, que não usam resíduos, é a maior variabilidade na qualidade da matéria-prima, o que exige maior controle e padronização dos substratos. O tipo de fermentação, o micro-organismo utilizado, o produto e o substrato estão relacionados; por exemplo, o consumo de substratos lignocelulósicos é comumente feito por actinomicetos e fungos, que se adaptam bem à fermentação sólida para a produção de ácidos orgânicos e enzimas, entre outros. A FES é um processo de cultivo em que o micro-organismo é cultivado em partículas de matriz sólida (substrato), onde o teor de água ligada a tal matriz está em um nível de atividade de água que assegura o crescimento e metabolismo das células, porém não excede a máxima capacidade de ligação da água com a matriz sólida, ou seja, na FES não existe água livre. Na FES, os fungos representam uma das classes de micro-organismos mais promissores devido à variedade de produtos de seu metabolismo e também de seu crescimento através de hifas, que permite maior penetração dos micro-organismos entre as partículas e as regiões porosas do substrato. Entre os fungos, Aspergillus e Rhizopus são espécies em destaque sendo considerados micro- -organismos GRAS (generally recognized as safe reconhecido como de uso seguro) pelo Food and Drug Administration (FDA), a agência reguladora de alimentos dos Estados Unidos para a produção de alimentos. Vantagens e desvantagens no uso de resíduos agroindustriais em processos fermentativos No Brasil, existe um problema de gestão de resíduos agroindustriais que dificulta tanto o aproveitamento como sua aplicação em processos de interesse econômico, o que pode ser explicado pelo desconhecimento do potencial de tais resíduos como matérias-primas em diversos processos industriais ou na dificuldade de transporte e distribuição. Este problema de gestão dificulta a otimização da economia agrícola do país, pois esses resíduos são recursos abundantes e renováveis. A acumulação de biomassa (por exemplo, resíduos agropastoris como palhas e cascas) gerada anualmente em grandes quantidades não só resulta na degradação do ambiente, mas também na perda de material potencialmente valioso que pode ser processado para produzir um número elevado de produtos de valor agregado, como alimentos, biocombustíveis, produtos químicos, farmacêuticos e outras moléculas de interesse medicinal. Os resíduos agroindustriais e agropastoris apresentam aplicações alternativas e mercados ainda pouco explorados. Vantagens A utilização ou o aproveitamento dos resíduos representa uma importante solução ambiental já que resíduos podem ser destinados aos bioprocessos industriais como matérias-primas, gerando, assim, novos produtos. Como os resíduos são materiais de baixo custo, apresentam vantagem econômica porque se inserem em bioprocessos como insumos alternativos, o que reduz custos de processos, tornando viável a produção de um determinado bioproduto de interesse. Além disso, formam uma cadeia de produção, porque esses resíduos são subprodutos de determinado processo que passam a ser insumo e matéria-prima de um novo processo, aqui denominado de bioprocesso.

6 148 Biotecnologia de Alimentos Em suma, os resíduos agroindustriais são materiais de baixo custo, apresentam boa disponibilidade e podem conter muitas substâncias de alto valor que são convertidas em produtos de importante valor econômico; ao mesmo tempo, a utilização desses resíduos em novos processos reduz a necessidade da disposição de resíduo no meio ambiente, diminuindo assim a poluição ambiental. Resíduos agroindustriais como farelos, cascas, palha, bagaços, resíduos de frutas e sementes usados como matéria-prima em bioprocessos podem ser considerados excelentes substratos para o crescimento de micro-organismos, pois fornecem nutrientes essenciais ao seu desenvolvimento. 42 Sua aplicação em bioprocessos também oferece vantagens em biorremediação e detoxificação biológica de resíduos, pois muitos micro-organismos conseguem decompor compostos tóxicos 46. Desvantagens Apesar da utilização dos resíduos agroindustriais em bioprocessos apresentar vantagens, algumas desvantagens também precisam ser consideradas. Algumas dificuldades de ampliação de escala de processos que utilizam resíduos sólidos em processos de FES são observadas, pois requerem monitoramento e uniformidade de variáveis de processo difíceis de ser controladas em meio sólido, tais como temperatura, oxigenação, transferência de massa e calor, por exemplo. Outra desvantagem é a baixa homogeneidade e garantia de padronização dos lotes dos resíduos, que podem variar de acordo com as condições de processamento e mesmo condições climáticas e sazonais. A variação da composição do resíduo pode ser consequência de uma variação natural da composição do produto agrícola. Variações nos rendimentos de processo também são relatadas em processos que utilizam esses resíduos sólidos. Alguns resíduos sólidos e mesmo líquidos também apresentam composição complexa, e alguns componentes são difíceis de ser degradados por micro-organismos. Componentes tóxicos também podem ser observados dificultando a rápida utilização do substrato em bioprocessos. Tratamentos prévios à fermentação ou cultivo para redução e/ou remoção dos componentes interferentes podem aumentar o custo do bioprocesso. Além desses fatores, a separação e a purificação de substâncias de interesse produzidas a partir de resíduos (de composição complexa, por natureza) podem ser mais custosas se comparadas com a produção em meios sintéticos. Bioprocessamento de resíduos agroindustriais Vários resíduos agroindustriais são importantes, não só pelo montante gerado como também pelas potencialidades que eles apresentam na sua reutilização, devido à sua composição físico-química. Assim, resíduos agroindustriais podem ser transformados e/ou reaproveitados para a geração de novos produtos de importância comercial, econômica e industrial. Vários tipos de resíduos podem ser utilizados como matérias-primas em bioprocessos, como fonte de carbono, já que eles têm os atributos de um excelente substrato para o crescimento de micro-organismos, fornecendo-lhes os nutrientes essenciais. Muitos processos, em vários setores produtivos, têm sido desenvolvidos utilizando tais materiais para a produção de várias biomoléculas de importância comercial e produtos finais de valor agregado, como por exemplo na área de biocombustíveis, na produção do etanol e biodiesel; na área alimentícia, na a produção de SCP (single cell protein proteína unicelular), cogumelos comestíveis, aditivos alimentares, enzimas, ácidos orgânicos, aminoácidos, metabólitos secundários biologicamente ativos, aromas, pigmentos etc. Portanto, a utilização de resíduos agroindustriais em bioprocessos propicia substratos alternativos e ao mesmo tempo resolve o problema ambiental de tratamento ou disposição do resíduo. Os resíduos agroindustriais têm funções variadas nos bioprocessos, mas basicamente servem como fonte de nutrientes alternativa e de baixo custo para que essas células possam se desenvolver, multiplicar e gerar novos compostos de interesse, como produto do seu metabolismo. Esta estratégia faz parte da concepção de tecnologia limpa e tem o objetivo de minimizar o despejo de poluentes no ambiente. Um processo fermentativo é descrito como um processo de modificação bioquímica desejável de substratos primários por meio de micro-organismos. Vários produtos de importância econômica são obtidos via processo fermentativo: etanol, ácidos orgânicos como acético, cítrico,

7 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 149 lático, glutâmico, fumárico entre outros, aromas, pigmentos, enzimas e outras substâncias que assumem diferentes funções de importância na indústria de alimentos, química, têxtil, papel e celulose, bem como farmacêutica, tais como espessantes, conservantes, antimicrobianos, peptídeos bioativos, antitumorais, antioxidantes. A aplicação dos produtos fermentados na indústria de alimentos, por exemplo, pode melhorar sabor, aroma, vida útil, textura, valores nutricionais e outras propriedades atrativas para o produto. Quando empregada uma tecnologia adequada, esse material pode ser convertido em produtos comerciais ou matérias-primas para processos secundários. Tem-se avaliado a utilização de diversos resíduos da agroindústria e da indústria de alimentos como substrato na obtenção de produtos como enzimas, aminoácidos, ácidos orgânicos, prebióticos, probióticos e simbióticos, dentre outros. Muitos resíduos são processados industrialmente ou apresentam potencial fermentativo, como é exemplificado nos itens seguintes. Resíduos do processamento da mandioca A mandioca é a sexta cultura mais importante do mundo como fonte de alimento e dieta calórica básica para mais de 700 milhões de pessoas, em vários países do mundo. Devido às baixas exigências de condições de crescimento, nos últimos anos, muito tem se investido para o aumento da produção mundial. Os cinco maiores produtores mundiais são Nigéria, Brasil, Tailândia, Zaire e Indonésia, responsáveis por mais ou menos 67% da produção. Aproximadamente 60% da mandioca produzida no mundo é usada para o consumo humano, na forma natural como farinha, cozida ou na forma fermentada. A indústria de ração animal utiliza por volta de 33% da produção, e os 7% restantes são usados por indústrias como têxteis, de papel, alimentos e de fermentação. A mandioca é consumida pela população de países tropicais da Ásia, África e América Latina. Conhecida como tapioca, aipim, castelinha, macaxeira, yuca, e manioc, é o suprimento calórico nas dietas das regiões onde cereais em grão não crescem. Estas culturas têm alto rendimento de produção, apesar de apresentar baixo conteúdo proteico (inferior a 1%). Ainda outra desvantagem é o fato de que as raízes frescas contêm compostos venenosos (glicosídeos cianogênicos compostos que liberam cianeto), que devem ser removidos antes do consumo. Triturar as raízes e espremer o caldo remove a maioria dos compostos tóxicos. A Tabela 6.2 mostra a composição físico-química das raízes de mandioca, in natura e seca (desconsiderando o teor de umidade do material). O processamento industrial da mandioca é feito com o objetivo de se obter a farinha (processo que gera mais resíduo sólido) e amido (processo que gera mais resíduo líquido) a partir dos tubérculos. A Figura 6.1 mostra o fluxograma de processamento da mandioca com o objetivo de se obter o amido, onde aparecem os pontos de geração de resíduos sólidos e líquidos. Os resíduos sólidos incluem a pele das raízes (casca) e o bagaço (Tabela 6.3), e geralmente dispostos no meio ambiente, em aterros, sem nenhum tratamento, causando sérios problemas ambientais. Os resíduos líquidos, chamados de manipueira, contêm em média 5-6% de sólidos (Tabela 6.4), e exigem tratamento adequado para a sua disposição final, o que nem sempre acontece. O bagaço de mandioca é o resíduo sólido composto pelo material fibroso da raiz, contendo parte da fécula que não foi possível extrair no processamento, aproximadamente 60% de amido residual, em base seca. Este resíduo é gerado na separação da fécula, sendo dispostas toneladas por dia de bagaço de mandioca no meio ambiente. A Tabela 6.3 mostra a composição do bagaço de mandioca, segundo vários autores, determinada a partir de amostras obtidas de várias indústrias do estado do Paraná. A composição do bagaço de mandioca varia devido às diferenças no processamento feito em indústrias de pequeno e médio porte, com limitada tecnologia para tal. O amido é o componente mais importante (determinado como carboidratos na Tabela 6.3). O bagaço de mandioca não possui cianeto, mas o baixo teor proteico não o torna atrativo para ser usado na alimentação animal. Esse resíduo pode ser utilizado diretamente, em FES (vide exemplos a seguir). Outra alternativa para o uso do bagaço é a hidrólise prévia utilizando enzimas amilolíticas, ou hidrólise química em meio ácido. O processo de hidrólise recupera até 98% da glicose do amido presente no resíduo. O hidrolisado, constituído principalmente de glicose, pode ser usado em vários processos fermentativos.

8 150 Biotecnologia de Alimentos Tabela 6.2 Composição físico-química das raízes de mandioca (base 100 g). 44,21 Composição In natura Seca Teor energético (kcal) Umidade (%) 65,5 15,7 Proteínas (g) 1,0 1,4 Lipídeos (g) 0,2 0,5 Amido (g) 32,4 80,6 Fibras (g) 1,1 1,2 Cinzas (g) 0,9 1,8 Cálcio (mg) 26,0 96 Fósforo (mg) 32,0 81 Ferro (mg) 0,9 7,9 Sódio (mg) 2,0 Potássio (mg) 394 Vitamina B2 (mg) 0,04 0,06 Vitamina C (mg) 34 0 Niacina (mg) 0,6 0,8 Cianeto (%) 15,4 0,52 Figura 6.1 Processamento industrial da mandioca (produção de amido).

9 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 151 Tabela 6.3 Composição do bagaço de mandioca (%). Composição Cereda (1994) Stertz,(1997) Vandenberghe (1998) Umidade 9,52 10,70 11,20 Proteínas 0,32 1,60 1,61 Lipídeos 0,83 0,53 0,54 Fibras 14,88 22,20 21,10 Cinzas 0,66 1,50 1,44 Carboidratos 63,85 63,40 63,00 A manipueira é o liquido residual gerado na prensagem da massa de mandioca ralada, para a produção da farinha de mandioca. Este resíduo pode destinar-se, no campo, à irrigação e fertilização, ao controle de ervas daninhas, bem como tem aplicação como substrato para diversos micro-organismos. A Tabela 6.4 apresenta uma composição básica da manipueira segundo vários autores. Devido ao alto teor de matéria orgânica, muitos estudos têm sido realizados no sentido de se viabilizar uma utilização adequada deste resíduo. O uso como adubo orgânico no plantio da mandioca consiste na utilização da manipueira após fermentação anaeróbica durante 15 dias, sendo então possível a sua utilização como fonte de nutrientes para o solo. Tabela 6.4 Composição média da manipueira. Variáveis Cereda (1994) Barana (1996) Barana (2000) Sólidos totais (%MS) 6,28 4,51 5,54 Sólidos voláteis (%MS) 5,23 3,83 4,76 DQO (g/l) 63,0 60,0 62,3 Cianeto (mg.l -1 ) 444,0 140,7 112,2 Nitrogênio (mg.l -1 ) Carbono (mg.l -1 ) Fósforo (mg.l -1 ) Potássio (mg.l -1 ) Cálcio (mg.l -1 ) Enxofre (mg.l -1 ) Magnésio (mg.l -1 ) Ferro (mg.l -1 ) 15,3 6,4 12,4 Cobre (mg.l -1 ) 1,1 1,4 3,1 Zinco (mg.l -1 ) 4,0 5,0 32,5 Manganês (mg.l -1 ) 3,7 3,5 2,2 Os resíduos da industrialização da mandioca podem ser convertidos em diversos subprodutos com valor econômico agregado. Recentemente, muitas alternativas têm sido estudadas para utilização da manipueira como substrato em processos fermentativos em fermentação submersa, na produção de biomassa de vários micro-organismos e várias biomoléculas de interesse comercial. Da mesma forma, o amido presente no bagaço de mandioca tem sido utilizado como substrato, ou seja, fonte de carbono para o crescimento e o metabolismo na fermentação no estado sólido. Leveduras e cogumelos têm sido utilizados, mas são os fungos filamentosos que têm apresentado os melhores resultados. A Tabela 6.5 mostra alguns exemplos, e na sequência são descritas algumas aplicações documentadas para o aproveitamento de bagaço de mandioca e de manipueira.

10 152 Biotecnologia de Alimentos Tabela 6.5 Utilização de micro-organismos para a produção de compostos de interesse utilizando o resíduo bagaço de mandioca. Micro-organismo Aplicação Referencia Lactobacilli delbrueckii Produção de ácido lático 51 Aspergillus niger Produção de ácido cítrico 72 Rhyzopus sp Produção de ácido fumárico 18 Ceratocystis fimbriata Aromas 14 Kluyveromyces marxianus Aromas 38 Lentinus edodes Produção de cogumelos comestíveis 10 Pleurotus sajor-caju Cogumelos comestíveis 8 Rhyzopus sp Biotransformação para enriquecimento proteico 64 Rhyzopus sp Produção de ácido cítrico 18 R. oryzae Produção de aromas 15 Produção de aromas O bagaço de mandioca tem sido utilizado em fermentação no estado sólido para a produção de compostos voláteis com aroma de frutas, empregando diferentes micro-organismos, como Ceratocystis fimbriata, Kluyveromyces marxianus etc. O processo é altamente eficiente, sendo que a maior intensidade do aroma ocorre poucas horas antes ou após a máxima atividade respirométrica. Os compostos produzidos são geralmente alcoóis, aldeídos, cetonas, ésteres e algumas vezes ácidos orgânicos. Estes têm sido identificados como compostos que produzem aromas específicos. A presença de açúcares simples, como a glicose, em geral favorece a síntese destes compostos e a adição de aminoácidos, como leucina e valina, favorece a síntese de aromas específicos como, por exemplo, o aroma de banana. Estes produtos têm tido uma crescente aceitação no mercado para ser usado em alimentos, cosméticos e na indústria química e farmacêutica, devido à preferência dos consumidores e ao apelo comercial por aditivos alimentares naturais e de origem microbiana. Produção de ácidos orgânicos Os ácidos orgânicos estão entre os compostos mais importantes produzidos por micro-organismos em processos fermentativos. O ácido cítrico é um dos produtos de fermentação mais produzidos no mundo, devido, entre outras características, à sua baixa toxicidade quando comparado a outros acidulantes utilizados pelas indústrias farmacêuticas e de alimentos. Na indústria de alimentos, é empregado em larga escala como acidulante por apresentar sabor agradável, baixíssima toxicidade e alta solubilidade. O ácido cítrico é reconhecido como um produto seguro pela FDA e aditivo alimentício seguro pelo Experts Committee da Food and Agriculture Organization (FAO)/Organização Mundial da Saúde (OMS) sem restrições à quantidade usada. O ácido cítrico tem aplicação bastante variado, sendo cerca de 70% usado pela indústria de alimentos e bebidas, 12% pela indústria farmacêutica e 18% por outras indústrias. 11 Recentemente, os ácidos orgânicos vêm sendo usados com excelentes resultados como suplemento em rações para animais. O ácido lático é o ácido carboxílico mais abundante na natureza, e também pode ser produzido por fermentação sólida em bagaço de mandioca. A maior parte do ácido lático produzido no mundo (90%) provém da fermentação de substratos adequados por bactérias ácido-láticas. Algumas culturas que vem sendo usadas na produção do ácido lático pertencem ao gênero Lactobacillus (Lactobacillus helveticus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei). Para que se obtenha um bom rendimento desse produto fatores como temperatura e ph, fornecimento de nutrientes essenciais ao crescimento dos micro-organismos e suplementação com outros compostos como lactose, aminoácidos, vitaminas, minerais e até mesmo melaços (milho, beterraba) devem ser considerados.

11 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 153 O ácido L-lático é classificado como GRAS pelo FDA e encontra muitas aplicações em quatro grandes categorias: alimentação (empregado como aditivo alimentar) humana e animal, cosmética, farmacêutica e química. A mais recente aplicação do ácido lático é a sua polimerização a ácido poli- -lático (PLA), um plástico biocompatível e biodegradável que tem muitas aplicações na área médica. Na indústria de alimentos, o ácido lático pode ser usado como acidulante, flavorizante, agente tamponante ou como inibidor da deterioração bacteriana em uma grande variedade de processos. Outros ácidos orgânicos que podem ser produzidos por fermentação, como o fumárico e o propiônico, encontram aplicação na indústria alimentícia, de cosméticos, de plásticos e farmacêutica. A síntese destas biomoléculas empregando bagaço de mandioca em fermentação no estado sólido por meio da utilização de variedades de Aspergillus e Rhizopus tem sido realizada com sucesso. Produção de fungos comestíveis Devido ao elevado teor de amido no bagaço de mandioca, este resíduo tem alto valor energético, mas não é rico em proteínas. É possível aumentar o teor proteico do bagaço usando culturas fúngicas tais como Rhizopus sp. Aumentos de 1,67% para 12% no teor de proteínas têm sido relatados em vários estudos, cultivando este micro-organismo em temperaturas de 28 C a 32 C, umidade de 70%, ph entre 5,7 e 6,4 e relação C/N entre 4,7 e 14, por 24 horas. Estudos de aumento de escala (scale-up) mostraram que biorreatores do tipo bandeja (vide Capítulo 5) são os mais adequados ao processo, com espessuras de leito entre seis e oito centímetros. O bagaço de mandioca tem sido empregado também na produção de cogumelos comestíveis em FES utilizando Pleurotus sajor-caju e Lentinus edodes. Resíduos da indústria sucroalcooleira Com o grande crescimento da indústria sucroalcooleira nas últimas décadas, intensificaram-se as pesquisas para a utilização dos resíduos dessa indústria como substrato em bioprocessos. Do processamento da cana-de-açúcar obtêm-se como produtos principais o açúcar e o álcool, e os principais subprodutos: o melaço, o bagaço e a vinhaça. O melaço de cana é um subproduto da fabricação do açúcar de cana que se apresenta na forma líquida viscosa, não cristalizável, e apresenta uma alta concentração de sacarose (Tabela 6.6), além de outras substâncias importantes para processos fermentativos. Por seu baixo custo, alta disponibilidade e elevado teor de açúcares fermentáveis, esta matéria-prima vem sendo empregada como substrato para diferentes tipos de fermentação. Tabela 6.6 Composição média do melaço de cana-de-açúcar 20. Elementos Faixa de Concentração (%, p/p) Água Sacarose Glicose 4 9 Frutose 4 12 Gomas, amidos, pentosanas, traços de hexitóis e ácidos urônicos 2 5 Cinzas 7 15 Compostos nitrogenados 2,5 4,5 Proteínas 0,5 4,5 Aminoácidos 0,3 0,5 Ácidos não nitrogenados (ex.: cítrico, málico, oxálico) 1,5 6,0 Ceras, Esteróis e fosfatídeos 0,1 1,0 Vitamina A, biotina, niacina, ácido pantotênico, riboflavina e tiamina) Quantidades variáveis

12 154 Biotecnologia de Alimentos Já a vinhaça consiste no resíduo da etapa de destilação do mosto fermentado para obtenção de álcool, sendo o principal efluente das destilarias. Apresenta-se como um líquido de coloração marrom-clara sendo que, à medida que se oxida por exposição ao ar, vai ficando mais escura. Este efluente altamente poluente é rico em matéria orgânica e minerais, principalmente potássio, sendo gerado em média 13 litros de vinhaça para cada litro de álcool produzido. A Tabela 6.7 apresenta a composição média da vinhaça de cana de açúcar. Tabela 6.7 Composição elementar da vinhaça de cana-de-açúcar de diferentes indústrias brasileiras. 59 Elementos Faixa de concentração C 7,53 46,74 g.l -1 N 0,10 1,55 g.l -1 P 0,02 0,77 g.l -1 K 0,55 13,00 g.l -1 Ca 0,09 3,98 g.l -1 Mg 0,10 1,34 g.l -1 S 0,04 3,42 g.l -1 Fe mg.l -1 Cu 0,5 137 mg.l -1 Zn 0, mg.l -1 Mn 1,2 16 mg.l -1 ph 2,8 5,4 O bagaço da cana é um resíduo fibroso, obtido após a prensagem do caule para extração do caldo da cana. Este é um dos mais abundantes resíduos celulósicos da agroindústria, consistindo em aproximadamente 50% celulose, 25% hemicelulose e 25% lignina. Devido ao baixo teor de cinzas, o bagaço da cana oferece inúmeras vantagens se comparado a outros resíduos para utilização em processos de bioconversão usando culturas microbianas. Os resíduos da indústria sucroalcooleira podem ser empregados na produção de moléculas que apresentam importantes aplicações, sobretudo na indústria de alimentos. Algumas aplicações desses resíduos são descritas a seguir. Produção de enzimas Uma das aplicações importantes do bagaço da cana-de-açúcar tem sido na produção de enzimas e enriquecimento proteico de rações, empregando leveduras e fungos. Dentre as diversas enzimas produzidas por FES, as celulases têm sido as mais estudadas. Vários micro-organismos, incluindo bactérias, leveduras e fungos têm sido utilizados para cultivo em bagaço, no entanto, os fungos filamentosos têm sido os micro-organismos mais empregados na produção de enzimas. O bagaço de cana-de-açúcar pode ser usado como suporte para a produção de protease por Aspergillus niger. A produção de celulase pode se dar através de cultura mista de Trichoderma reesei e Aspergillus phoenicis e como suporte na produção de pectinases por Aspergillus niger. O bagaço da cana foi testado como fonte de carbono na produção da enzima inulinase por FES, utilizando Kluyveromyces marxianus, sendo suplementado com outro resíduo, a milhocina (água de maceração de milho, produzida em fecularias), como fonte de nitrogênio. 9 A produção de inulinase por Kluyveromyces marxianus é de interesse industrial por atender às exigências para classificação GRAS. Além disso, essas enzimas são muito utilizadas na indústria alimentícia para produção de xarope enriquecido em frutose.

13 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 155 Produção de aminoácidos Os L-aminoácidos apresentam um largo espectro de uso comercial como aditivos, suplementos alimentares, agentes terapêuticos e precursores para a síntese de peptídeos e agroquímicos. O ácido L-glutâmico é fabricado industrialmente por processos fermentativos utilizando diversas matérias- -primas ricas em glicose, frutose e sacarose. O ácido glutâmico, também conhecido como glutamato monossódico (GMS) é, do ponto de vista comercial, o aminoácido mais importante, sendo obtido exclusivamente por fermentação e amplamente consumido como aditivo alimentar ou realçador de sabor em alimentos. Resíduos e matérias-primas agroindustriais que contém alto teor de carboidratos podem ser utilizados na obtenção de GMS, sendo que o melaço de cana-de-açúcar é usado de forma comercial para esse fim. Produção de xilitol O xilitol é um poliol de cinco carbonos, com o mesmo poder edulcorante da sacarose, sendo que tem como vantagem o fato de ser não cariogênico. Seu emprego oferece ainda importantes vantagens para a indústria alimentícia, pois não apresenta grupos redutores em sua molécula e assim não participa das reações de Maillard, que provocam o escurecimento de produtos. Ainda em relação à indústria alimentícia, esse composto pode substituir a lactose em alimentos infantis, permitindo seu consumo por crianças intolerantes a esse açúcar. A bioprodução de xilitol pode ser feita a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana- -de-açúcar em sistemas fermentativos empregando a levedura Candida guilliermondii. A obtenção de xilitol por via biotecnológica é possível devido à capacidade de alguns micro-organismos, especialmente leveduras, de sintetizar a enzima xilose redutase, a qual catalisa a redução de xilose em xilitol. Produção de ácidos orgânicos A partir do melaço de cana é possível produzir diversos ácidos orgânicos, como lático, cítrico e propiônico. Já o bagaço tem aplicação menos comum, por exemplo, pode ser citada a produção do ácido cítrico por FES usando Aspergillus niger. 73 Produção de biomassa de microalgas Devido ao alto teor em compostos orgânicos da vinhaça, este resíduo é de grande potencial como substrato para cultivo de microalgas, reduzindo o custo do processo. No entanto, sua utilização pode implicar altos gastos com as etapas de purificação, quando destinado à utilização em alimentação humana. Já foi relatado o desenvolvimento de um bioprocesso para produção de Spirulina platensis a partir de vinhaça. 66 A Spirulina é uma microalga de alto valor proteico (acima de 60% da massa seca) com boa digestibilidade e que apresenta quantidades significativas de ácidos graxos poliinsaturados, vitaminas e a ficocianina, o que a torna de grande interesse para a alimentação humana e em ração animal. A Spirulina platensis tem grande potencial como fonte de pigmentos, principalmente a ficocianina, um pigmento azul com alto poder antioxidante e de interesse para a indústria de alimentos. Além disso, esta microalga possui certificado GRAS (considerado seguro) concedido pela FDA, o que permite o consumo humano nos Estados Unidos, sendo aceito também por quase todos os demais países, o que promove sua comercialização legal como complemento alimentar. Resíduos do processamento da soja Por meio dos processos de manufatura envolvidos no beneficiamento dos grãos de soja, para extração do óleo e outros produtos de uso direto pela indústria, são gerados subprodutos como o farelo de soja, utilizado na alimentação animal e outros resíduos de grande interesse em bioprocessos. O okara é um resíduo obtido do processamento da soja, gerado durante a produção de leite de soja e tofu. O melaço de soja é um subproduto rico em açúcares e proteínas (composição média na Tabela 6.8), e por isso pode servir como matéria-prima para outros processos fermentativos, apesar do perfil de açúcares ser pouco convencional, com cerca de 50% dos carboidratos sendo estaquiose

14 156 Biotecnologia de Alimentos Tabela 6.8 Composição média do melaço de soja e vinhaça de soja. 54 Componente Melaço (% base seca) Vinhaça (% base seca) Estaquiose 18,6 11,09 Rafinose 9,68 22,07 Sacarose 28,4 0 Glicose 0,243 0 Frutose 0,127 0 Galactose 0,254 1,84 Carboidratos (total) 57,3 35,0 Proteínas 9,44 13,3 Lipídeos** 21,2 27,8 Cinzas 6,36 9,24 Fibras 5,70 14,6 e rafinose. O melaço de soja é um subproduto do processamento da soja utilizado como substrato para a produção de etanol, utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae. A vinhaça de soja é o principal subproduto gerado pela fermentação alcoólica do melaço de soja. Este é o resíduo obtido da etapa de destilação para recuperação do etanol e apresenta uma grande concentração de compostos orgânicos, especialmente açúcares não redutores (Tabela 6.8). Aproximadamente 260 m³ de vinhaça são gerados paralelamente à produção de 10 m 3 de etanol por dia em uma indústria brasileira processadora de grãos de soja. 62 A fermentação alcoólica do melaço de soja por Saccharomyces cerevisiae converte 50% do total de açúcares em etanol. Entre eles estão a sacarose, a glicose e a frutose. Os açúcares residuais são oligômeros, a estaquiose e a rafinose, com ligação α-1,6, que podem ser hidrolisados pela enzima α-galactosidase. A casca de soja corresponde à fina camada que recobre a semente e é um subproduto resultante do esmagamento do grão de soja para extração de óleo, do farelo de soja e da lecitina. Cerca de 2% da composição do grão de soja é casca, tendo em sua composição 91% de matéria seca, 15% de proteína bruta, 57% de fibra, 2,1% de lipídeos e 5,75% de minerais. Assim, a casca é um substrato em potencial para a sua conversão em moléculas de interesse comercial por meio de processos biotecnológicos específicos. Dentre as aplicações dos resíduos do processamento da soja estão o seu uso como substrato para a produção de ácidos orgânicos, enzimas, vitaminas e gomas. Produção de enzimas, vitaminas e ácidos orgânicos O okara pode ser usado como substrato na produção da vitamina riboflavina, das enzimas lipase e frutofuranosidase e single-cell protein (proteína unicelular). Tal resíduo também foi utilizado com sucesso na produção de ácido cítrico por FES. Primeiramente foi usado Aspergillus terreus, que quebra a celulose e, posteriormente, o Aspergillus niger, um reconhecido produtor de ácido cítrico. 32 O melaço de soja pode ser utilizado para a produção de etanol, em um processo que consome a sacarose e parte dos açúcares mais complexos (rafinose e estaquiose), com conversão de 45,4%. O resíduo da destilação do mosto, a vinhaça de soja, ainda apresenta cerca de 35% de açúcares, que podem ser convertidos por linhagens selecionadas (com habilidade de metabolizar açúcares complexos como a estaquiose e a rafinose) a ácidos orgânicos como o lático, com rendimento 84,9% em escala piloto. 31 A vinhaça de soja também foi utilizada como substrato para a produção de α-galactosidase pela bactéria lática Lactobacillus agilis LPB A aplicação desta enzima aumenta a digestibilidade de produtos alimentícios contendo os galacto-oligossacarideos, especialmente em produtos derivados da soja.

15 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 157 Resíduos do processamento de frutas Resíduos de frutas são de especial interesse para o uso como substrato em fermentações, já que possuem alto conteúdo de açúcares, vitaminas e minerais. Entre os resíduos estão polpa cítrica, bagaço de maçã, bagaço de uva, resíduos de abacaxi, banana, entre outros. A Tabela 6.9 mostra alguns produtos obtidos pela fermentação de resíduos da industrialização de frutas. Tabela 6.9 Resíduos de frutas e sua aplicação na produção de diferentes bioprodutos. Resíduos de frutas Micro-organismos Produtos Referência Abacaxi, maçã, kiwi. Aspergillus sp. Ácido cítrico 34 Bagaço de uva Aspergillus awamori Xilanase, 12 exo-poligalacturonase Bagaço de maçã Aspergillus niger Pectina metilesterase, 57 ácido cítrico Casca de laranja Rhizopus oryzae, Pectina liase 28 Curvularia inaequalis Bagaço de laranja Tubercularia vulgaris Pectinase 26 Bagaço de maçã e bagaço de morango Polpa cítrica Lentinus edodes Aspergillus sp. Poligalacturonase Fitases Polpa cítrica A polpa cítrica é um subproduto da indústria de sucos de frutas cítricas, principalmente a laranja, obtido por meio do tratamento de resíduos sólidos e líquidos remanescentes da extração do suco da fruta. Sendo estes resíduos cítricos ricos em carboidratos e outros nutrientes, apresentam-se como substrato viável para produção de ácido cítrico, por exemplo, por FES. A Figura 6.2 apresenta um fluxograma do processamento da fruta mostrando os pontos de geração dos subprodutos da extração de cítricos. Figura 6.2 Fluxograma de geração dos subprodutos da extração em cítricos.

16 158 Biotecnologia de Alimentos Devido às suas características e montante gerado, a polpa cítrica tem sido alvo de vários estudos visando à valorização por intermédio do seu uso na produção de ácidos, aromas e enzimas de interesse comercial. A Tabela 6.10 apresenta a composição média da polpa cítrica, resíduo gerado no Brasil. Tabela 6.10 Composição média da polpa cítrica. Propriedades Rodrigues (2006) Citroex (2008) União Farelos (2010) Umidade 10,8% 10,0 12,0% 11,0 12,0% Proteína bruta 5,36% 5,5 6,2% 6,0 8,0% Cinzas 5,47% 4,9 6,9% 7,0 8,0% Açúcares totais 19,03% Extrato etéreo 1,2 1,3% 3,0 4,0% Fibras 11,0 12,0% Potencialidade da polpa cítrica Um bioprocesso foi desenvolvido para a produção do ácido cítrico por FES utilizando o fungo Aspergillus niger, o qual alcançou uma produção de 450 g de ácido cítrico/kg de polpa cítrica seca. 49 Outro emprego da polpa cítrica como substrato foi relatado na produção de aromas por micro- -organismos, por meio de FES. O micro-organismo usado foi o fungo Ceratocystis fimbriata, um produtor de aromas (pêssego, abacaxi, banana, cítrico e rosas), dependendo da cepa e condições de cultivo. Neste mesmo estudo testou-se ainda a suplementação com melaço de soja e melaço de cana, como fonte de carbono adicional, obtendo-se melhores resultados com a adição do melaço de cana. 52 O R-(+)-limoneno, subproduto da indústria citrícola gerado em elevadas quantidades no Brasil, também tem sido descrito como substrato adequado para a produção de aromas (Capítulo 11). A obtenção de flavorizantes naturais é de grande importância para a indústria alimentícia devido ao aumento da demanda do mercado em produtos naturais. No mercado mundial a produção industrial de aromas corresponde a 25% do mercado de aditivos alimentares. 23 A polpa cítrica foi utilizada como substrato e suporte em processos de FES para a produção de fitases, enzimas que degradam o antinutriente fitato (um polifosfato orgânico), presente em elevadas concentrações principalmente em grãos de cereais. Estas enzimas foram produzidas por fungos do gênero Aspergillus sp. utilizando esse resíduo com produção de 94 U/g (unidade de atividade enzimática por grama) de fermentado seco. 67 Essa produção é elevada quando comparada aos resultados relatados na literatura utilizando resíduos de baixo custo, e rendeu uma formulação adequada para que seja aplicada na alimentação de animais, de baixo custo se comparada a produtos comercialmente disponíveis já que a tonelada de polpa cítrica custa em média US$10,00. Outros micro-organismos também foram descritos para a produção de pectinases utilizando resíduos da laranja, tais como Talaromyces flavus, Tubercularia vulgaris, Penicillium charlessi 58 e Aspergillus niger FS3. 50 Bagaço de maçã Os resíduos do processamento da maçã são constituídos pela casca e pelo bagaço gerados após a extração do suco. Ambos são utilizados como suplementos em ração animal ou na extração da pectina. O bagaço de maçã é um resíduo primário da indústria de sucos de maçã e são gerados aproximadamente 3 a 4,2 milhões de toneladas/ano no mundo. A disposição desse resíduo é um problema econômico e ambiental. Inúmeras tentativas têm sido propostas para a reutilização de resíduo como fonte de fibras, polifenóis, ração animal e até biocombustíveis. No entanto, uma maior valorização desse resíduo é obtida quando ele é usado na produção de enzimas como a pectina metil esterase, pectina esterase e poligalacturanase por meio da FES por fungos como o Aspergillus, por exemplo. Além disso, o bagaço de maçã é um substrato adequado para a produção de outras biomoléculas, tais como o ácido cítrico. 57

17 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 159 As pectinas de maçã, quando fermentadas, funcionam como fibras solúveis. Pectinas de alta e baixa metoxilações são completa e rapidamente fermentadas por bactérias do intestino, em humanos. Já o ácido péctico e a pectina aminada são degradados mais lentamente. Na fermentação da pectina, os principais metabólitos produzidos são ácidos graxos de cadeia curta (AGCC) e gases. Em menores quantidades são produzidos ácidos e pectinas aminadas. A pectina é reconhecida como agente preventivo de doenças coronárias e diabetes tipo II. Diferentes mecanismos tentam explicar os efeitos benéficos à saúde, um deles está relacionado à absorção da bile e à produção de AGCC, que é provável que contribua positivamente no intestino. Para a aplicação em alimentos, os AGCC e as pectinas com alto grau de metoxilação são os melhores candidatos, por seu efeito benéfico à saúde do cólon. E as pectinas que são lentamente degradadas no intestino são consideradas agentes que minimizam os riscos de carcinogênese 27. Bagaço de uva A produção mundial de uvas atinge 60 milhões de toneladas e 68% destinam-se à fabricação de vinho. O processo industrial gera resíduos lignocelulósicos chamados de bagaço. O bagaço de uva é constituído de casca, sementes e pedaços de talos e correspondem a 16% da fruta original. Este tipo de resíduo pode ser utilizado como ração animal. No entanto, o bagaço de uva contém baixo valor nutricional e a presença de compostos fenólicos, considerados fatores antinutricionais, pois inibem a flora simbiótica dos ruminantes. Quando utilizados como fertilizantes, os compostos fenólicos inibem a germinação, e quando depositados em áreas abertas provocam sérios problemas ambientais, devido à presença de açúcares simples, facilmente fermentescíveis. A degradação deste resíduo se dá de forma rápida, gerando odor e a proliferação de larvas e insetos. Esse problema deve receber atenção e controle para ser eliminado. O processo biotecnológico de FES tem contribuído para a reutilização dos resíduos, que podem servir de substrato para o crescimento e metabolismo dos micro-organismos. No caso do bagaço de uva, vários bioprocessos têm sido desenvolvidos para sua reutilização na produção de etanol, ácido glucônico, carotenoides, goma xantana, ácido cítrico, entre outros. Esses resíduos da indústria de vinhos podem ser utilizados na produção de enzimas hidrolíticas como as xilanases e as pectinases por Aspergillus awamori. As xilanases atuam na degradação da xilana, principal hemicelulose das plantas. A produção industrial desta enzima é feita principalmente com a utilização de fungos como Aspergillus e Trichoderma. O emprego das xilanases vai desde a produção de sucos de frutas, clarificação de sucos e vinhos, fabricação do café solúvel coadjuvante de textura em derivados lácteos, até seu uso em associação com as celulases no processo de extração de óleos vegetais. Já as diversas classes de pectinases (pectinesterases, endo e exo-poligalacturonases, endo-pectinaliases) são empregadas na clarificação de sucos e vinhos, amadurecimento do café e do cacau e no processamento de frutas em conserva. Bagaço de abacaxi O emprego de resíduo de abacaxi tem se mostrado mais efetivo na produção de ácido cítrico, quando Aspergillus foetidus ACM 3996 foi utilizado. A bioconversão de resíduo de abacaxi suplementado com farelo de soja tem sido uma estratégia usada para a produção de antioxidantes fenólicos por Rhizopus oligosporus. Esses compostos são importantes para a indústria de alimentos já que inibem a oxidação, aumentando a vida de prateleira e a segurança dos alimentos. Os antioxidantes também podem atuar em processos que são responsáveis pela cor, adstringência e aroma de vários alimentos. Enzimas como xilanases, fitases, pectinases bem como ácidos orgânicos principalmente o cítrico são biomoléculas produzidas a partir de resíduos de frutas como o bagaço de abacaxi. As xilanases são aplicadas nas indústrias de papel, alimentos e rações. E as poligalacturonases são usadas como adjuvantes para extração, clarificação e desproteinização de sucos de frutas e para maceração de frutas e vegetais e na produção de oligogalacturonídeos como componentes de alimentos funcionais. Já as fitases degradam o antinutriente (fitato) presente na grande maioria dos grãos, sementes e vegetais.

18 160 Biotecnologia de Alimentos Emprego de resíduos de frutas na formulação de alimentos fermentados Os leites fermentados possuem ações benéficas à saúde e são bons candidatos a serem enriquecidos com fibras de frutas cítricas. As fibras podem interagir com a população microbiana do iogurte, resíduos de óleos essenciais podem inibir o crescimento de determinadas bactérias e os componentes de fibras, como os oligossacarídeos, têm a capacidade de melhorar o crescimento microbiano. Para um iogurte ser considerado probiótico, e exercer os benefícios à saúde, o número de bactérias láticas recomendado é 10 6 a 10 8 UFC/g (Unidades Formadoras de Colônias por grama). Em estudos com uma formulação de Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei e Bifidobacterium bifidum com fibras de limão e laranja foi constatada melhora na sobrevivência dos micro- -organismos probióticos. 56 A produção de salames curados e secos é de grande importância na indústria cárnea de países mediterrâneos e Alemanha. A produção envolve algumas fases definidas: mistura de ingredientes, fermentação e maturação. Alterações físicas, químicas e microbiológicas acontecem nas três fases e refletem nas características sensoriais do produto final, bem como na vida de prateleira e segurança alimentar. Alguns estudos avaliaram a incorporação de fibras de cereais (trigo e aveia), legumes (cenoura) e frutas (pêssego e maçã) nas formulações de embutidos fermentados. Dentre os efeitos benéficos destas formulações estão a redução ou substituição de gorduras, a melhora no crescimento das culturas starters, a redução dos níveis de nitrito, a estabilidade na vida de prateleira e o aumento de teor de fibras na alimentação. O isolamento de compostos funcionais a partir de subprodutos de frutas cítricas (fibras e polifenóis) podem ser de interesse para a indústria de alimentos, já que retardam as reações oxidativas e melhoram a qualidade nutricional dos alimentos. Testes demonstraram que as fibras de laranja reduzem os níveis de nitrito e favorecem o crescimento de Micrococcus. Ambos aspectos são positivos para a segurança alimentar e qualidade, pois a queda dos níveis de nitritos tem como consequência a redução na formação de nitrosaminas. Os atributos sensoriais não foram afetados nas formulações contendo 1% de fibra. 25 Resíduos do processamento do arroz O arroz é o segundo cereal de maior produção e consumo no mundo, sendo que o cultivo se dá mais nos países asiáticos, principalmente China e Índia, que detêm mais de 50% da produção mundial. Depois dos países asiáticos, o Brasil segue como o maior produtor deste grão. 24 O arroz branco é resultante da etapa final do beneficiamento do produto em casca. Os subprodutos do seu beneficiamento incluem o arroz quebrado (quirera), a casca e o farelo, e são pouco utilizados na agroindústria alimentar e não alimentar. A composição desses resíduos do arroz é mostrada na Tabela O farelo de arroz, camada superficial do grão integral, é obtido durante o polimento do grão para obtenção do arroz branco. Representa 8% do grão em casca e possui conteúdos variáveis de amido proveniente do endosperma, de resíduos de casca e de fragmentos de grão. 24 Portanto, é um subproduto que possui teores variáveis de nutrientes dependendo do sistema de beneficiamento, do grau de polimento dado ao arroz, do tratamento do grão antes do beneficiamento e do cultivar de arroz em questão. Tabela 6.11 Resíduo Farelo de arroz Quirera de arroz Casca de arroz Composição dos resíduos do processamento do arroz. Matéria seca (%) Carboidratos (%) Proteína bruta (%) Lipídeos (%) Cinzas (%) Fibra bruta (%) Referência 87, ,25 12,1 14,93 15,1 16,98 8,64 13,56 11,42 12,8 70; 53 93,52 78,21 5,88 9,11 0,73 1,01 0,87 0,14 0,45 30; 13 1,7 7,26 0,38 13,16 29,04 31,71 49,92 45

19 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 161 O farelo de arroz (100 gramas) possui em média 14 g de proteínas, 49,5 g de carboidratos, 22 g de gordura, além de Na, K, Fe e vitaminas, tiamina e niacina. Dentre os carboidratos estão as fibras insolúveis, como hemicelulose, além da lignina. No Brasil, o farelo de arroz é gerado em abundância e apresenta baixo valor comercial, sendo mais empregado atualmente como ingrediente para ração animal, como fertilizante orgânico e para extração do óleo. Dessa forma, existem pesquisas visando à utilização deste subproduto em bioprocessos, que possibilitam o aproveitamento deste resíduo gerado em grande escala no país. As aplicações mais comuns dos resíduos do processamento do arroz são na produção de aromas e enzimas. Produção de aromas A vanilina (4-hidroxi-3-metoxibenzaldeído) é um dos aromas mais apreciados no mundo e um importante flavorizante para alimentos, bebidas e produtos farmacêuticos. Ela possui vários efeitos como prevenção de doenças, antimutagênico, antioxidante, conservante e antimicrobiano. É obtida de vagens da planta Vanilla planifolia na forma de glucovanilina, na proporção de 2% em peso. A vanilina já foi produzida por meio da bioconversão do ácido ferúlico, encontrado em resíduos de farelo de arroz, combinando os fungos Aspergillus niger e Pycnoporus cinnabarinus. 35 A vanilina pode ser produzida biotecnologicamente por intermédio de extratos enzimáticos ou enzimas purificadas, micro-organismos e cultura de células vegetais. Os principais precursores para a produção biotecnológica de vanilina são eugenol, isoeugenol, ácido ferúlico e outros menos utilizados. Produção de enzimas Relatou-se a produção da enzima glucoamilase por FES usando o resíduo agroindustrial gerado durante o processamento dos flocos de arroz com casca, juntamente com o farelo de arroz e do trigo, utilizando o fungo Aspergillus sp. 4 Este processo reduziu o custo de produção da glucoamilase, que tradicionalmente é produzida por fermentação submersa, além de proporcionar o aproveitamento de um resíduo como substrato de fermentação. O produto da degradação microbiana deste resíduo é considerado GRAS pelo FDA. A glucoamilase é uma enzima importante na produção enzimática de xarope de glicose a partir do amido. Esta enzima é muito utilizada pela indústria alimentícia, sendo empregada em inúmeros setores em todo o mundo. Sua principal aplicação na indústria alimentícia é na produção de xarope de glicose, o qual é amplamente utilizado como adoçante. As glucoamilases são utilizadas na panificação com o objetivo de reduzir a quantidade de açúcar a ser adicionado à massa, já que a glicose liberada pela ação da enzima apresenta doçura maior que a maltose, que é o açúcar liberado quando a β-amilase é utilizada no processo. A glucoamilase é utilizada ainda na preparação de produtos tradicionais da cultura japonesa como na fermentação do shoyu, saquê e misso. Outra enzima produzida biotecnologicamente utilizando resíduo do processamento do arroz é a xilanase. Relatou-se a produção desta enzima utilizando farelo de arroz como fonte de carbono e empregando o micro-organismo Streptomyces actuosus. 74 A xilanase é uma enzima hidrolítica que atua na fração hemicelulósica de materiais vegetais, tendo diversas aplicações industriais: desde o uso da enzima na melhoria da digestibilidade de material lignocelulósico para ração animal até seu emprego na indústria de papel e celulose. Na indústria de alimentos as xilanases podem ser utilizadas na clarificação de sucos, na fabricação de café solúvel, na produção de leite e derivados etc. Resíduos do processamento do trigo O farelo de trigo, produzido em grandes quantidades em todo o mundo, é um subproduto da indústria de moagem de trigo, constituindo uma importante fonte de açúcares (Tabela 6.12). A produção de farelo no Brasil é da ordem de 200 mil toneladas/ano, resultado do processamento de mais de 5 milhões toneladas de trigo. Processos de hidrólise de polissacarídeos abundantes no farelo são empregados para produzir uma matéria-prima adequada para a fermentação alcoólica. Primeiramente, o amido presente no farelo de trigo é degradado por enzimas amilolíticas, como α-amilases, β-amilases e glucoamilases (ou amiloglucosidases). O material fibroso remanescente passa por um processo de hidrólise

20 162 Biotecnologia de Alimentos Tabela 6.12 Composição dos resíduos do processamento do trigo. Resíduo Farelo de trigo Casca de trigo Matéria seca (%) CT (%) PB (%) Lipídeos (%) Cinzas (%) química (tratamento com ácido, calor e pressão se necessário) ou enzimática, neste caso degradado por enzimas celulolíticas como celulases, hemicelulases, xilanases, mananases, entre outras. O farelo de trigo é frequentemente adicionado a alimentos para elevar o seu valor nutricional e o teor de fibras alimentares, como acontece em diversos produtos de panificação. Em uma formulação de massa para pães, no entanto, o teor de farelo de trigo deve ser baixo se comparado à quantidade de farinha de trigo, que é a responsável pela formação da rede de glúten, permitindo a retenção de CO 2 produzido pela levedura do pão Saccharomyces cerevisiae. O farelo de trigo também é rico em proteínas, magnésio, manganês, niacina, fósforo, zinco e vitamina B6. Além do farelo de trigo, outros resíduos com a casca e a palha do trigo vêm sendo empregados em processos biotecnológicos. O farelo, por exemplo, vem sendo amplamente utilizado na produção de bioetanol, diversas enzimas e em produtos de panificação. Produção de bioetanol Para a fermentação alcoólica utilizando farelo de trigo, é necessário realizar uma hidrólise ácida, enzimática ou mista. Estudos demonstraram rendimento máximo de açúcar total quando pequenas quantidades de ácido foram adicionadas na fase de pré-tratamento do farelo de trigo, antes da hidrólise enzimática. A produção de açúcar por este método de hidrólise combinado chegou a 80% do rendimento teórico, consistindo em arabinose, xilose e glucose. 41 Produção de ração animal A palha de trigo foi utilizada para o enriquecimento proteico em ração animal. A fermentação da palha foi realizada por Chaetomium cellulolyticum, o que levou a um incremento de 2,87% para 16,4% no teor proteico do material cultivado. 1 Produção de enzimas São diversos os estudos de produção de enzimas para a indústria de alimentos e ração animal utilizando o farelo de trigo como substrato de fermentações, principalmente por meio do processo de FES. As enzimas produzidas são fitases, celulases, xilanases. Foram realizados estudos de produção de proteases por FES utilizando o farelo de trigo fermentado por Rhizopus oryzae. 2 Emprego em produtos de panificação No farelo de trigo existe um composto fenólico denominado ácido ferúlico, um importante antioxidante que combate a formação de radicais livres no organismo. No entanto, a sua biodisponibilidade no farelo é extremamente baixa. Diferentes técnicas que envolvem bioprocessos por via fermentativa ou enzimática do farelo de trigo foram desenvolvidas com o objetivo de melhorar a biodisponibilidade de compostos fenólicos no farelo adicionado a produtos como pães. O tratamento mais eficaz foi a combinação de enzimas e fermentação que promoveram aumento da biodisponibilidade de ácido ferúlico de 1,1% para 5,5% 3. As técnicas estudadas utilizando bioprocessos que envolvem fermentação do farelo de trigo também utilizaram linhagens de leveduras específicas e enzimas degradantes de restos de parede celular presentes no farelo. Resultados mostraram que a técnica mais eficiente incluiu uma combinação de enzimas de degradação da parede celular e a fermentação por levedura. Este processamento resultou FB (%) FDN (%) 84,6-90,7 80,7 13,1-21,0 4,4-4,7 9,15 11,3 48,6-51,0 15 FDA (%) Referência 70; 36; 55; 40; 39 91,49 16,62 4,76 0,16 26,85 6,20 5 Nota: CT = carboidratos totais; PB = proteína bruta, FB = fibra bruta; FDN = fibra em detergente neutro; FDA = fibra em detergente ácido.

21 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 163 em um pão com maior volume e miolo mais macio. Além disso, o bioprocessamento do farelo com enzimas e a fermentação auxiliaram no aumento do teor de fibra solúvel e no incremento de compostos fitoquímicos e compostos bioativos do farelo, entretanto, a importância para a saúde humana destes tipos de mudanças requer um estudo mais aprofundado. Resíduos do processamento do café O café é cultivado em mais de 50 países e está entre as bebidas mais consumidas do mundo. Tem grande valor comercial, representando 4% do mercado de produtos alimentícios e gerando rendimentos próximos a 10 bilhões de dólares por ano. Durante as fases da colheita e do processamento do café, muitos resíduos acabam sendo gerados. Os resíduos representam 95% do peso total do café, sendo que apenas 5% são utilizados na preparação da bebida. Os resíduos da indústria cafeeira são representados pela polpa, proveniente do processamento pelo método úmido (onde os frutos são despolpados e fermentados), e pela casca, que é resultante da limpeza dos frutos secos durante o processamento pelo método seco (Figura 6.3). Figura 6.3 Fluxograma de geração do processamento do café por via seca e via úmida. 43

22 164 Biotecnologia de Alimentos No Brasil, cerca de 80% do café é produzido pelo método seco, o que implica geração de toneladas de cascas de café. Esse resíduo tem potencial para ser usado como ingrediente em ração animal, no entanto, seu emprego exige uma remoção prévia de componentes tóxicos como a cafeína, os polifenóis e os taninos. Estudos feitos cultivando Aspergillus sp. em casca de café (temperatura de 28 o C e ph 4,0) mostraram a capacidade de degradação da cafeína e taninos por esse fungo, com níveis de redução de 61 e 70%, respectivamente 65. Os resíduos do café são fontes alternativas de açúcares e proteínas (Tabela 6.13), podendo ser usados como suporte e substrato fermentativo na produção de enzimas frequentemente empregadas na indústria alimentícia. Alguns exemplos são a pectinase (sucos, vinhos, café, chocolate, concentrados de frutas), tanase (sucos e cervejaria) e protease (queijos). A FES da casca de café por Aspergillus niger, por exemplo, resulta em maior rendimento na produção do ácido cítrico, quando comparado ao uso de farelo de trigo, farelo de arroz e farelo de arroz desengordurado. Tabela 6.13 Composição dos resíduos do café (% base seca). 42 Componentes Casca Polpa Proteína bruta 9,2 11,2 Lipídios 2,0 2,5 Cinzas 6,3 8,3 Carboidratos 57,8 44,0 Fibras 21,0 Taninos 4,5 1,8-8,6 Cafeína 1,3 1,3 O cultivo de cogumelos comestíveis em casca, folha e pó de café também tem sido avaliado. Lentinus edodes e Pleurotus sp. foram capazes de crescer em casca de café, alcançando uma eficiência biológica de 86% e 97% respectivamente. 60 A fermentação ocasionou aumento no teor de proteína e diminuição no conteúdo de fibras, levando também a uma redução nos teores de cafeína e taninos. Essa prática poderia ser uma alternativa interessante para o tratamento do resíduo da agroindústria do café, valorizando esse substrato com potencial aplicação para outros fins biotecnológicos. A casca de café pode também ser usada na produção de aromas frutais por leveduras. Quando cultivada nesse substrato, Pachysolen tannophilus produziu etanol e outros compostos como acetaldeído, acetato de etila, isobutanol, acetato de isobutila e etil-3-hexanoato e acetato de isoamila, que juntos caracterizaram o aroma de abacaxi 63. Resíduos do processamento de oleaginosas Como forma de agregação de valor, as tortas originadas da extração de óleo de sementes, grãos e outros vegetais vêm sendo empregadas como substrato para a produção de bioprodutos como biocombustíveis, enzimas, vitaminas e cogumelos comestíveis (Tabela 6.14), em FES, na qual o resíduo é ao mesmo tempo fonte de carbono e suporte sólido para o crescimento do micro-organismo. Após a extração do óleo podem ser obtidos dois tipos de tortas: comestíveis e não comestíveis. As tortas comestíveis possuem um alto valor nutricional, com o conteúdo proteico variando de 15% a 50%. A composição das tortas varia conforme a espécie, condições de crescimento e métodos utilizados para a extração. Devido ao seu alto teor proteico, esses resíduos vêm sendo utilizados como suplemento em ração animal, especialmente para ruminantes e peixes. Já as tortas não comestíveis são geralmente dispostas no solo, onde são usadas como fertilizantes nitrogenados orgânicos, devido ao conteúdo de nitrogênio, fósforo e potássio 47. As tortas têm potencial uso em processos biotecnológicos, pois apresentam um alto teor de nutrientes (Tabela 6.15). Além disso, elas podem ser suplementadas com cereais ou outros resíduos. No caso da produção de cogumelos, a suplementação de tortas de óleos (mostarda, girassol, algodão e soja) com casca de arroz aumentou o rendimento de Pleurotus sajor-caju entre 50% a 100% em relação às tortas não suplementadas 60.

23 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 165 Tabela 6.14 Produtos obtidos de tortas de óleos fermentadas por diferentes micro-organismos e suas diversas aplicações. 60 Tipo de torta Micro-organismo Produtos obtidos Aplicação Soja Penicillium sp. Protease Queijos Aspegillus niger Glucoamilase Panificação Coco Aspergiillus oryzae IFO Aspergillus niger Kluyveromyces marxianus Azeitona Semente de algodão Pleurotus eryngii, Pleurotus pulmunaris Bacillus licheniformis Pleurotus sajor-caju α-amilase Glucoamilase Inulinase Cogumelos α-amilase Cogumelos Panificação Alimentação Panificação Mostarda Lactobacillus casei Ácido lático Realçador de sabor Amendoim Aspergillus oryzae IFO α-amilase Panificação Girassol Bacillus licheniformis Bacillus sp. MG-cp-2 Cryptococcus albidus var. albidus IMAT-4735 α-amilase Poligalacturonase Endopoligalacturonase Panificação Indústria de frutas, vinho e vegetais fermentados Tabela 6.15 Composição de diferentes tortas (%). 47 Torta Matéria seca Proteína bruta Fibra bruta Cinzas Cálcio Fósforo Óleo de palma (dendê) 90 Mín. 12 Máx. 22 4,0 nd* nd* Óleo de canola 90 33,9 9,7 6,2 0,79 1,06 Óleo de coco 88,8 25,2 10,8 6,0 0,08 0,67 Óleo de semente de algodão 94,3 40,3 15,7 6,8 0,31 0,11 Óleo de amendoim 92,6 49,5 5,3 4,5 0,11 0,74 Óleo de mostarda 89,8 38,5 3,5 9,9 0,05 1,11 Óleo de gergelim 83,2 35,6 7,6 11,8 2,45 1,11 Óleo de soja 84,8 47,5 5,1 6,4 0,13 0,69 Óleo de girassol 91,0 34,1 13,2 6,6 0,30 1,30 Nota: * nd = não detectado. No Brasil, a produção de dendê (palma) vem crescendo e equivale a 0,1% da mundial, hoje estimada em 25 milhões de toneladas, sendo o segundo óleo vegetal mais produzido no mundo, perdendo apenas para o óleo de soja. O Pará é o principal estado produtor, com produtividade média de 3,32 toneladas por hectare, utilizando 69 mil hectares com o dendezeiro. Resíduos do processamento do leite O soro de queijo é um subproduto da indústria de lacticínios e representa um sério problema de poluição ambiental. Apenas 50% da produção mundial de soro de queijo é tratada e/ou utilizada em produtos alimentícios. Dentro dessa parcela, 45% são empregados diretamente na forma líquida, 30% são utilizados na forma de soro em pó, 15% como lactose e o restante como concentrado proteico de soro.

24 166 Biotecnologia de Alimentos Considerado uma boa fonte de lactose e outros nutrientes (proteínas solúveis, lipídios, e sais minerais), o soro de queijo vendo sendo frequentemente empregado como substrato em diversos produtos biotecnológicos. Dentre as aplicações biotecnológicas desse subproduto podemos citar a elaboração de bebidas como o kefir, produção de ácido lático, leveduras para a panificação (fermento), proteína celular para ração animal, culturas starter probióticas para uso em leites fermentados e na maturação dos queijos. O soro de queijo pode ser incorporado ao leite para a produção de kefir e/ou usado para a propagação de culturas presentes nos grãos de kefir (Kluyveromyces, Saccharomyces, Candida, Pichia e bactérias láticas). O cultivo da mistura microbiana do kefir mostra-se mais vantajosa que o crescimento de micro-organismos isolados, pois a biomassa granular formada permite melhor separação do líquido fermentado. Além disso, a secagem da biomassa a 38 o C e o emprego de 1 grama por litro (g/l) de células livres ou imobilizadas em caseína têm demonstrado melhorar a vida de prateleira, formação de gás e características sensoriais durante a etapa de maturação dos queijos. 33 Estudos têm avaliado o emprego do soro de queijo na produção de proteases microbianas. Esse resíduo é geralmente adicionado como componente do meio de cultivo e possui indutores que auxiliam na síntese de proteases por micro-organismos como Bacillus sp. e Penicillum sp. Durante a fermentação lática do leite para a produção de iogurte, a lactose, açúcar do leite, é fermentada a ácido lático, por Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus termophilus. Neste processo industrial não ocorre a separação do soro, que fica, após a fermentação da lactose, incorporado ao produto. Resíduos da produção de camarão De toda a massa do camarão, somente 65% é comestível. Os resíduos não comestíveis (cefalotórax e exoesqueleto) são descartados. Muitas técnicas têm sido exploradas para aproveitar tais resíduos para a produção de biopolímeros. Algumas hidrólises químicas foram aplicadas para os resíduos de camarão, com o emprego de ácido clorídrico, sulfito de sódio, hidróxido de sódio e hidróxido de potássio para a desproteinização e desmineralização. Entretanto, o uso de ácidos e bases constitui um processo ecologicamente agressivo. A hidrólise enzimática também pode ser aplicada para acelerar o processo de forma controlada e minimizar reações indesejáveis. As enzimas comerciais mais usadas são: papaína, tripsina, pepsina, alcalase, neutrase e protease. No entanto, uma promissora alternativa de hidrólise, que é o processo fermentativo, tem sido estudada. As carapaças de camarões podem ser fermentadas por micro-organismos capazes de desproteinizar e desmineralizar as carapaças para obtenção de quitina e quitosana de melhor qualidade. A fermentação lática é alternativa viável e ecologicamente correta. A carcaça de camarão é convertida em micronutrientes, ricos em aminoácidos e com potencial para suplementação em dietas humanas e animais. 16 Proteína hidrolisada Proteínas hidrolisadas têm uma variedade de aplicações industriais, incluindo farmacêuticas, nutrição humana e animal ou cosméticos. Proteínas hidrolisadas constituem fontes no meio de cultura para os micro-organismos. A carcaça do camarão tem sido identificada como fonte de proteína animal de grande potencial, bem como fonte de quitina. Estudos demonstraram que a protease das espécies de Bacillus é responsável pela desproteinização da carcaça do crustáceo. 75 A fermentação dos resíduos do camarão, com o objetivo de desproteinização, foi avaliada e estudos revelaram que cerca de 90% das proteínas foram hidrolisadas e encontraram os seguintes aminoácidos: histidina, arginina, treonina, tirosina, valina, metionina, isoleucina, leucina e fenilalanina. 37 Desmineralização da quitina As carapaças do camarão contêm pequenas quantidades de cálcio e, em menores proporções, sódio, potássio e manganês. O processo de desmineralização constitui um fator para garantir a boa qualidade da quitina. Pesquisas revelam que Bacillus subtilis produz quantidades de ácidos suficientes para remover minerais e relatam que o processo fermentativo atinge 72% de desmineralização da carcaça. 61 O mesmo bioprocesso para obtenção de quitosana pode ser obtida por Aspergillus niger.

25 Emprego de Resíduos Agroindustriais em Bioprocessos Alimentares 167 Resíduos do processamento do tomate No Brasil, são comercializadas cerca de 350 mil toneladas de produtos à base de tomates por ano, sendo em torno de 40% na forma de extrato simples concentrado. A indústria de tomates gera grande quantidade de subprodutos. Sementes e peles são os maiores subprodutos e contêm compostos de alto valor biológico. Pode-se obter, por exemplo, carotenoides como o licopeno a partir de pele de tomate, sendo que o licopeno é utilizado como ingrediente alimentício, cosméticos e fármacos. Poucos estudos relatam a utilização de subprodutos de tomate em produtos biotecnológicos. Alguns pesquisadores descrevem a adição direta em bifes prontos e salsichas cozidas. Em uma pesquisa, a pele seca de tomate foi adicionada em diferentes concentrações na mistura do preparo de salame, produto cárneo obtido por fermentação utilizando culturas láticas como o Lactobacillus plantarum e externamente fermentado por fungos específicos. Observou-se que após 21 dias de maturação, a presença de licopeno diminuiu em relação à quantidade inicial e manteve-se estável com 0,26 mg e 0,58 mg de licopeno/100 g de salame. Em relação às propriedades sensoriais, a aceitabilidade foi comparável à do grupo-controle. 17 Logo, o acréscimo de peles de tomates na formulação de salames resulta em maior valor agregado ao produto, além disso, por conter um ingrediente funcional, que é o licopeno, o alimento se torna mais atrativo e saudável. resumo do Capítulo A agroindústria brasileira gera mais de 600 bilhões de toneladas de resíduos por ano. Os resíduos devem ser processados para reduzir o impacto ambiental da produção e processamento. Resíduos passam a ser encarados como subprodutos ou matérias-primas quando encontram aplicação. A composição, a concentração e a contaminação microbiana determinam as possibilidades de processamento. A fermentação sólida é uma das formas mais simples de aproveitar os resíduos sólidos. Pré-tratamentos como hidrólise podem ser usados para permitir fermentação submersa. Para alguns resíduos é necessário adicionar nutrientes para permitir o processamento. Custos de transporte da produção até o processamento têm importante impacto no preço do produto final. Os principais resíduos são gerados com o processamento das principais culturas, mas qualquer material gerado de forma concentrada em grandes volumes por exemplo, resíduos de frutas pode ser uma matéria-prima potencial para processamento. Entre os principais produtos gerados pelo processamento de resíduos estão os ácidos orgânicos, suplementos para rações, enzimas hidrolíticas e álcool.? Questões COMPLEMENTARES 6.1. Considere os seguintes tipos de resíduos: raspas de madeira, restos da polpa de frutas, soro de queijo, restos de batatas, e bagaço de cana. Tendo em vista os teores, nesses resíduos, de açúcares livres (que são fáceis de metabolizar) e de quantidade de lignina (que é mais difícil de degradar), discuta quais seriam os resíduos de degradação mais fácil por micro- -organismos Para os mesmos resíduos, imagine quais deles seriam mais adequados para um processo simples para: