Valorização biotecnológica do hidrolisado fosfórico de amido de mandioca : produção de biomassa e astaxantina utilizando a levedura Xanthophyllomyces dendrorhous

Abstract

Resumo: Tradicionalmente as hidrólises ácidas de materiais amiláceos são realizadas utilizando o ácido clorídrico. O ácido fosfórico foi empregado com sucesso, alternativamente, como agente catalítico nos procedimentos de hidrólise do amido de mandioca, com a vantagem de diminuir a formação de produtos de degradação ou desidratação da glucose, como o HMF (hidroximetilfurfural). Além do mais, a neutralização do hidrolisado fosfórico com hidróxido de amónia, gerou vantajosamente o fosfato de amónio, um co-nutriente amplamente utilizado nos processos biotecnológicos. Parâmetros cinéticos, como temperatura / pressão (entre 152 a 176°C / 4 a 8 atm), concentração do ácido (entre pH 1,4 a 3,0) e tempo de hidrólise (entre 5 a 20 minutos), foram aplicados para a depolimerização de pasta concentrada de amido (40% de sólidos totais como fécula) em maltooligossacarídeos e/ou xarope de glucose. Os xaropes obtidos da hidrólise fosfórica do amido foram empregados como fonte de carbono em processos fermentativos, na produção da levedura carotenogênica Xanthophyllomyces dendrorhous (antes, Phaffía rhodozyma) produtora do pigmento intracelular astaxantina. Cultivos realizados com hidrolisados apresentando DE (equivalente em dextrose) em torno de 50, revelaram a habilidade bioquímica da Xanthophyllomyces dendrorhous em metabolizar além da glucose e/ou maltose, maltooligossacarídeos, com grau de polimerização maior do que 3 unidades de glucose, com alto rendimento de produção de astaxantina. Várias fontes de nitrogênio alternativas tais como alguns aminoácidos, farinha de soja, caseína hidrolisada, uréia, nitrato de potássio, manipueira e nitrato de amónio foram utilizadas na suplementação dos meios de cultivos. A manipueira, subproduto poluente e definida como a água residual do processo de extração do amido de mandioca (feculagem), foi adicionada ao hidrolisado fosfórico de mandioca, e proporcionou incremento na produção de biomassa (948mg%). A adição de nitrato de amónia ao meio de fermentação contendo manipueira resultou em aumento da astaxantinogênese em Xanthophyllomyces dendrorhous (477jig/g de células secas) obtido com o hidrolisado fosfórico pH 1,75, 152 °C/4atm e 15min. Condições mais severas de hidrólise, como temperatura de 176°C (8 atm), levaram a formação de produtos de degradação causadores de inibição do crescimento da X. dendrorhous. Experimentos preliminares de produção de ácido lático pelas bactérias Lactobacillus plantarum e Pediococcus pentosaceus também foram testados como modelo biotecnológico, para os hidrolisados fosfóricos de amido de mandioca, onde foram produzidos aproximadamente 21 g/l de ácido lático.

Abstract: Even though starch materials are usually hydrolysed using hydrochloric acid as the catalytic agent, phosphoric acid has also been used as a suitable catalyst for the hydrolysis of cassava starch. As such, phosphoric acid has the advantage of reducing the formation of dehydration by-products such as HMF (hydroxymethyfurfural). In addition, the neutralization of the reaction mixture with ammonium hydroxide advantageously generates ammonium phosphate, a co-nutrient largely used in biotechnology processes. In this work, the kinetic parameters used in this procedure, such as temperature / pressure (152°C - 176°C / 4 - 8 atm ), acid concentration (pH 1.4 - 3.0) and length of hydrolysis (5 - 20 minutes), were optimized for the conversion of concentrated starch slurries (40% total solids, w/v) to maltooligossacharides and/or glucose syrups. The syrup obtained from the starch phosphoric acid hydrolysis was used as a source of carbon for the production of the intracellular pigment asthaxantin by the yeast Xanthophyllomyces dendrorhous (formerly, Phaffia rhodozyma). Cultures resulting from these hydrolysates, showing a DE (dextrose equivalent) of approximately 50, revealed the biochemical ability of Xanthophyllomyces dendrorhous to metabolize, beyond glucose and maltose, maltooligosaccharides with a DE greater than 3 to asthaxantin in high yields. Various alternative nitrogen sources such as some amino acid mixtures, soybean flour, casein hydrolysate, urea, potassium nitrate, "manipueira" and ammonium nitrate were evaluated as suitable supplements for the culture media. Manipueira, a pollulant by-product defined as the residual water derived from the industrial production of cassava starch (fecula), produced an increase of yeast biomass production (948 mg / %) when added to the fermentation media together with phosphoric acid-hydrolyzed starch. On the other hand, addition of ammonium nitrate to the fermentation media containing manipueira resulted in an increase of asthaxantinogenesis in X. dendrorhous (477pg/g of dry cell) from phosphoric hydrolysate (pH1.75, 152°C/4 atm and 15 min). More drastic conditions for hydrolysis, such as temperatures of 176°C (8atm), triggered formation of degrading subproducts that inhibited yeast growth. Preliminary experiments for the production of lactic acid by bacteria such as Lactobacillus plantarum and Pediococcus pentosaceus indicated that, for the phosphoric acid-hydrolyzed starch, approximately 21g/l of lactic acid was produced.