Desenvolvimento de bioprocesso para produção de goma xantana por fermentação no estado sólido a partir de resíduos e subprodutos agroindustriais

Abstract

Resumo: O presente trabalho teve por principal objetivo o desenvolvimento de um bioprocesso para a produção de goma xantana por fermentação no estado sólido (FES), a partir de resíduos e subprodutos agroindustriais. Cinco cepas da bactéria Xanthomonas campestris foram testadas qualitativamente e quantitativamente para a produção de goma xantana por fermentação submersa utilizando como substratos: hidrolisado de bagaço de mandioca, hidrolisado de polpa cítrica, melaço de soja, soro de queijo, caldo de cana e água de maceração do milho (Milhocina®) na concentração de 20 g/L de açúcar redutor total (ART). A cepa Xanthomonas campestris LPB01 obteve o melhor resultado (14,12 g/L de goma xantana) utilizando-se hidrolisado de bagaço de mandioca suplementado com extrato de levedura. Após, foram realizados estudos em FES, fixando-se o valor da umidade em torno de 85% e taxa de inoculação de 10% (v/v) em relação à fase líquida, onde se impregnou o bagaço de cana (suporte) com resíduos/subprodutos como substrato líquido em diferentes concentrações de ART. O hidrolisado de bagaço de mandioca, hidrolisado de polpa cítrica e o melaço de soja apresentaram os melhores resultados. Na etapa seguinte, os melhores substratos líquidos originados dos resíduos sólidos foram utilizados em sua forma in natura (sólidos) como suporte para a FES, puros e/ou combinados com o bagaço de cana na proporção 1:1, utilizando-se solução salina como solução impregnante. O farelo de soja (FS) e o bagaço de mandioca (BM) combinado com o bagaço de cana (BC) apresentaram os melhores resultados (FS / BC = 95,23 g/Kg de goma na base seca; BM / BC = 104,81 g/Kg de goma na base seca). As fermentações seguintes consistiram em testar a influência de diversas proporções entre FS / BC e taxa de inóculo e BM / BC e taxa de inóculo na produção de goma xantana por FES. O melhor resultado (218,23 g/Kg de goma na base seca) foi alcançado com 90%BM / 10%BC e taxa de inoculação de 10%. Após a definição de parâmetros físicos e químicos para o processo de produção de goma xantana, fez-se um estudo cinético com o objetivo de definir-se qual o melhor tempo para a produção do biopolímero. Este foi alcançado após 120 horas de fermentação. Posteriormente, nas condições já otimizadas, realizou-se um estudo com diferentes valores de umidade (70, 75 e 80%), que permitisse uma melhor passagem do ar pela coluna de fermentação. A umidade de 80% mostrou-se mais compatível. Realizou-se em seguida um teste para verificar a influência da aeração forçada sobre a produção da goma xantana, onde diferentes níveis de aeração foram avaliados (20, 40 e 60 mL/min). As fermentações foram conduzidas em um sistema de colunas de vidro, onde a produção atingiu 165,32 g/Kg de goma xantana na base seca com aeração de 60 mL ar/min. As condições otimizadas neste trabalho foram CB90% / SCB10% com uma taxa de 10% de inóculo, umidade de 80% em 120 horas de fermentação.

Abstract: The main objective of the present work was the development of a bioprocess for the production of xantham gum by solid state fermentation (SSF) using wastes and agro-industrials by-products. Five strains of the bacteria Xanthomonas campestris were selected qualitatively and quantitatively for xanthan gum production by submerged fermentation using as substrates: cassava bagasse hydrolysate, pulp citric hydrolysate, soy molasse, cheese whey, sugar cane broth, corn steep liquor (Milhocina®) at 20 g/L of total reducing sugar (TRS). The strain LPB01 presented the best result (14.12 g/L of xanthan gum) using cassava bagasse hydrolysate supplemented with yeast extract. Therefore, LPB01 was selected for further studies using SSF. Initially, SSF was conducted with LPB01 at the following conditions, humidity at around 85% and inoculation rate of 10% (v/v) of the liquid phase. The liquid phase was obtained by soaking the cane bagasse (as support) with the liquid waste or by-products (as substrate) at different concentrations of TRS. The cassava bagasse hydrolysate, pulp citric hydrolysate and soy molasse presented the best results for xanthan gum production. In the next stage, the best liquid substrates generated from the solid waste were used in natura as support for the SSF. These liquid substrates were used pure or combined with the cane bagasse in the proportion of 1:1, using saline as impregnant solution. The soy bran (SB) and cassava bagasse (CB) combined with the sugar cane bagasse (SCB) showed the best results (SB / SCB = 95.23 g/Kg of gum at dry weight; CB / SCB = 104.81 g/Kg of gum at dry weight). The following SSF were conducted with the purpose of testing the influence of various proportions of SB / SCB and CB / SCB with several inoculum rates for the production of xanthan gum. The best production (218.23 g/Kg of gum at dry weight) was achieved with 90% CB / 10% SCB and an inoculation rate of 10%. The above results were used to set physical and chemical parameters for the next experiments. A kinetic study was carried out to define the best time for the production of the xanthan gum. It was reached after 120 hours of fermentation. Using the above optimized conditions (CB90% / SCB10% and 10% rate of inoculum) different levels of humidity (70, 75 and 80%) were tested to allow a better passage of air in the column of fermentation. It was verified that a humidity of 80% promoted a higher production of xanthan gum. Then, different levels of forced air (20, 40 and 60 mL/min) were tested with a system of glass column under the optimized conditions described above. The aeration of 60 mL/min was the best for the fermentation, but it only reached 165.32 g/Kg of xanthan gum at dry weight. Using SSF under several conditions it was possible to optimize the bioprocess for production of xanthan gum. The optimized conditions were CB90% / SCB10% and 10% rate of inoculum, humidity of 80% and 120 hours of fermentation.