Conversão de pectina citrica a ácido D-Galacturônico usando pectinases produzidas por fermentação no estado sólido

Abstract

Resumo: A biomassa de resíduos agroindustriais ricos em pectina, como a polpa cítrica, é bastante abundante em alguns países e pode ser explorada para a produção do ácido D-galacturônico por hidrólise química ou enzimática. Este açúcar ácido e seus derivados, ácidos meso-galactárico e L-galactônico, têm aplicações na indústria alimentícia, como agentes acidificantes, e na indústria química como surfactantes e agentes quelantes. Os processos enzimáticos de hidrólise da pectina possuem vantagens em relação aos processos químicos, principalmente a não-degradação dos produtos de hidrólise, a possibilidade de utilizar temperaturas brandas, além de não gerarem efluentes tóxicos. Entretanto, a limitação dos processos enzimáticos está no custo das enzimas, que pode inviabilizar a sua implantação industrial. O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um processo de hidrólise da pectina para produção do ácido D-galacturônico utilizando sólidos fermentados com atividade pectinolítica, produzidos a partir de resíduos agroindustriais. Inicialmente, a produção de pectinases por diversos fungos foi comparada. O sistema selecionado envolve o crescimento de Aspergillus oryzae CPQBA 394-12 DRM 01, cultivada em meio composto de bagaço de cana (30%) e bagaço de laranja lavado (70%), a 30 °C e 70% de umidade inicial. No decorrer do trabalho, foi otimizado o método de dosagem de pectinases por adição direta do sólido fermentado liofilizado ao meio reacional contendo pectina. A atividade realizada diretamente no sólido foi de cerca de 260 U (uma unidade de atividade corresponde à produção de 1 ?mol de ácido D-galacturônico por min) por grama de sólido fermentado liofilizado. Em estudos prévios de hidrólise da pectina cítrica utilizando sólidos fermentados liofilizados, conversões de até 92% foram obtidas após 36 h, utilizando soluções com 2% (m V-1) de pectina. A hidrólise catalisada por sólidos fermentados liofilizados foi otimizada por delineamento fatorial 23 avaliando-se os efeitos das variáveis "massa de sólido fermentado", "concentração de pectina" e "temperatura" na conversão (%) da pectina e no teor de ácido D-galacturônico produzido, determinado por CLAE. O modelo matemático foi significante para a variável "conversão da pectina" (R2 = 0,94), e a variável mais importante foi a concentração da pectina no meio (p = 0,0014), que influenciou negativamente a resposta. As variáveis "massa de sólido fermentado" e "temperatura" apresentaram efeitos positivos significativos ao nível de 5% (p = 0,0343 e p = 0,0430, respectivamente). O aumento da concentração de pectina no meio para 15% e 20% confirmou os resultados previstos pelo modelo, tendo sido observada uma diminuição do teor de ácido D-galacturônico produzido e da conversão, quando se utilizou 20% de pectina no meio. A determinação da composição monossacarídica do hidrolisado da pectina mostrou a presença de outros açúcares de interesse industrial, como arabinose, manose e glucose.

Abstract: Pectin-rich agricultural residues, such as citrus pulp, are abundant in various countries and have the potential to be used for the production of D-galacturonic acid by chemical or enzymatic hydrolysis. This acid sugar and key derivatives of it, meso-galactaric acid and L-galactonic acid, have applications as acidifying agents in the food industry and as surfactants and chelating agents in the chemical industry. Enzymatic hydrolysis has advantages over chemical hydrolysis for the production of D-galacturonic acid from pectin, since it uses mild temperatures, does not degrade the liberated sugars and does not generate toxic effluents. However, a key limitation of enzymatic hydrolysis is the high costs of the enzymes, which can make large-scale processes economically unviable. The main objective of the current work was to develop a process for the hydrolysis of pectin to D-galacturonic acid using a low cost enzyme preparation, namely fermented solids containing pectinolytic activity. These solids were produced by solid-state fermentation of agricultural residues by pectinolytic fungi. Initially, pectinase production by various fungi was compared. The system selected involved the growth of Aspergillus oryzae CPQBA 394-12 DRM 01 on a solid medium containing (m/m on a dry basis) 30% sugarcane bagasse and 70% washed orange bagasse, with an initial moisture content of 70% (wet basis) and an incubation temperature of 30 °C. During these studies a pectinase activity assay was developed that involved direct addition of lyophilized fermented solid to a reaction medium containing pectin. Using this assay, the best activity obtained during the fermentation was 260 U (with 1 U of activity corresponding to the production of 1 ?mol of D-galacturonic acid equivalents per minute) per gram of lyophilized fermented solid. In preliminary studies of the hydrolysis of citrus pectin with these lyophilized fermented solids, a percentage conversion of pectin into D-galacturonic of 92% was obtained in 72 h from a 2% (m/V) pectin solution. This hydrolysis process was optimized using a 23 factorial design, with the studied variables being the mass of added fermented solids, the pectin concentration and the reaction temperature and the response variables being the percentage conversion of pectin and the concentration of D-galacturonic acid obtained .The fitted statistical model for the percentage conversion of pectin was significant (R2 = 0.94), with the most important variable being the pectin concentration (p = 0.0014), which had a negative effect. The mass of added fermented solids and the reaction temperature had positive effects (p = 0.0343 and p = 0.0430, respectively). An increase in the pectin concentration confirmed the predictions of the model, with an increase from 15% to 20% leading to a decrease in the amount of D-galacturonic acid produced and in the percentage conversion. The hydrolysate that was produced using 20% of pectin contained, in addition to D-galacturonic acid, other sugars of commercial interest, such as arabinose, mannose and glucose.