Orientadores: Gláucia Maria Pastore, Luiz Carlos Basso

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: Os frutooligossacarídeos (FOS) são ingredientes de grande importância na indústria de alimentos e têm despertado muita atenção nos últimos anos por possuírem aplicações variadas e apresentarem propriedades prebióticas. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção biotecnologica...

Resumo: Os frutooligossacarídeos (FOS) são ingredientes de grande importância na indústria de alimentos e têm despertado muita atenção nos últimos anos por possuírem aplicações variadas e apresentarem propriedades prebióticas. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção biotecnologica de FOS a partir de micro-organismos osmofílicos em um proceso de biotransformação utilizando células íntegras microbianas. As linhagens de Bacillus sp. e Aureobasidium sp, previamente isoladas de favo-de-mel e identificadas, foram primeiramente avaliadas quantos aos principais parâmetros de produção utilizando a metodologia de Superfície de Resposta, precisamente pelo Placket-Burman (PB), nos quais foram analisados 12 parâmetros para cada um dos microrganismos, dentre eles, a concentração da sacarose, inóculo, extrato de levedura, K2HPO4, (NH4)2SO4, MgSO4.7H2O, ZnSO4, MnSO4.7H2O, pH, temperatura e agitação. O Bacillus sp. apresentou 5 fatores significativos, sendo o pH, temperatura e agitação com efeitos negativos e o extrato de levedura e sulfato de amônia com efeitos positivos. Já o Aureobasidium sp. apresentou efeito positivo apenas para os parâmetros concentração de sacarose e sulfato de magnésio, sugerindo que o melaço de cana-de-açúcar, o qual era utilizado apenas para este microrganismo na etapa de cultivo do inóculo, poderia estar carreando nutrientes essenciais ao processo. A partir desta etapa, o trabalho teve continuidade apenas com a linhagem Aureobasidium sp. utilizando planejamentos experimentais sequenciais, a fim de se obter a faixa ótima de produção de FOS totais para esse processo. O estudo realizado para avaliar o efeito do melaço como meio de cultivo para o crescimento e obtenção do inóculo microbiano para o processo, demonstrou que a suplementação com nutrientes, avaliados na etapa do PB, era desnecessária, e o meio para síntese de FOS foi definido em apenas sacarose sem suplementação de nutrientes, com o inóculo na forma de suspensão celular cultivado previamente em meio a base de melaço. A produção neste momento atingia valores de 287,6 e 251,5 g/L de FOS totais e rendimentos de 72% e 63% em 24 e 48 horas respectivamente, com uma produtividade de 12 g/L.h às 24 horas de incubação. Em seguida foi realizado o planejamento fatorial fracionado para 4 variáveis definidas em tempo de cultivo e concentração do melaço, na etapa do cultivo do inóculo, e concentração de sacarose e de inóculo para a síntese de FOS, cujos apresentaram-se positivos com exceção ao tempo de cultivo que não demonstrou efeito nas condições avaliadas. Os valores de produção atingidos na etapa do fatorial foram de 333 g/L e 354 g/L de FOS totais e rendimentos de 60,5% e 64% em 24 e 48 horas respectivamente, e produtividade de 13,8 g/L.h às 24 horas de incubação. Após esses resultados, fixou-se a concentração do melaço em 10% de açúcares redutores totais, permanecendo apenas a concentração de sacarose e inóculo como variáveis para prosseguir o planejamento. A otimização desses dois fatores por Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), possibilitou definir 4 modelos significativos ao processo, atingindo faixas ótimas de produção para cada FOS como o GF2, GF3 e GF4, e revelou a condição ótima para o processo em 600 a 650 g/L de sacarose e de 20 a 23% de inóculo, resultando em uma produção de 351 e 374 g/L de FOS e rendimentos de 53,5% e 57% em 24 e 48 horas respectivamente, atingindo uma produtividade de 14,7 g/L.h às 24 horas de incubação. Após definida a condição ótima do processo, o xarope de cana-de-açúcar, que é o caldo concentrado, foi utilizado como substrato alternativo à substituição da sacarose pura na produção de FOS. Os valores de rendimentos obtidos foram de 54%, entretanto as concentração de FOS totais foram de 110 g/L uma vez que a concentração inicial de sacarose no xarope era de apenas 203 g/L. A maioria dos experimentos revelou que o micro-organismo manteve-se viável e em crescimento durante o período de incubação, de acordo com os valores de biomassa e atividade enzimática avaliados nos experimentos. Sendo assim, foi proposto avaliar o processo em um biorreator de bancada de 7L, cujo foi conduzido inicialmente em sistema de batelada e após as 48 horas o processo passou a ser contínuo com taxa de diluição de 0,04.h-1 por mais 72 horas, totalizando 120 horas de cultivo. A concentração média de FOS totais produzidos foi de 228 g/L e uma produtividade média foi de 9 g/L.h

Abstract: Fructooligosaccharides (FOS) are considered food ingredients with very significance for food industry that has receiving attention in the last few years, because of their functional properties for the health as prebiotics and industrial application. The objective of the present work was...

Abstract: Fructooligosaccharides (FOS) are considered food ingredients with very significance for food industry that has receiving attention in the last few years, because of their functional properties for the health as prebiotics and industrial application. The objective of the present work was evaluate the biotechnological production of FOS by osmophilics microorganisms in a biotransformation process using free whole cells. Firstly the effects of production parameters using Bacillus sp. and Auerobasidium sp. strains. was employed by the Response Surface Methodology (RSM) exactly Plackett-Burman Design with 12 variables: concentration of sucrose, inoculum, yeast extract, K2HPO4, (NH4)2SO4, MgSO4.7H2O, ZnSO4, MnSO4.7H2O, pH, temperature and agitation. The Bacillus sp. showed 5 significant parameters, as pH, temperature and agitation with negative effect and yeast extract and ammonium sulfate with positive effect. The Aureobasidium sp. presents positive effect only for sucrose and magnesium sulfate concentration, which suggested the inoculum culture was caring nutrients from sugar cane molasses, that was the base of the inoculum cultivation for Aureobasidium sp. The work has continued only with Aureobasidum sp. applying sequential planning experiments to optimize the process. The experiment for evaluate the molasses effect as inoculum cultivation medium on process showed that nutrients supplementation, used in the PB design, wasn¿t necessary, consequently, the FOS synthesis medium was defined as sucrose, without nutrients supplements and the inoculum as cellular suspension previously cultivated in molasses medium. Total FOS data, at this point, reached 287.6 and 251.5 g/L with 72% and 63% of yield data at 24 and 48 hours respectively, with 12 g/L.h of productivity at 24 hours. Subsequently, the factorial planning was realized with 4 parameters as cultivation time and molasses concentration, in the inoculum cultivation step, and sucrose and inoculum concentration for the FOS synthesis. Almost all these factors showed positive effect, exception of inoculum cultivation time. The total FOS data, at this point, was 333 and 354 g/L with 60.5% and 64% of yield data at 24 and 48 hours respectively, with 13.8 g/L.h of productivity at 24 hours. Regarding these data, the molasses concentration was fixed at 10% of total reduce sugars, remaining only sucrose and inoculum concentration as variables to continue the planning. The two factors optimization was proceed by Central Composite Rotational Design (CCRD) that allowed defined 4 significant process model, aimed optimum production scales for which one FOS, as GF2, GF3 and GF4, that reveals the optimum process condition in 600 to 650 g/L of sucrose and 20 to 23% of inoculum, resulting in 351 and 354 g/L of total FOS data and 53.5% e 57% of yield data at 24 and 48 hours respectively, with 14.7 g/L.h of productivity at 24 hours. After defined the optimum process condition, the sugar cane syrup was evaluated as alternative substrate to pure sucrose for FOS production. The yield data reached was 54%, however the total FOS concentration was 110 g/L due to the small initial sucrose concentration on syrup that was 203 g/L. All the experiments showed significant microorganism growth and increase enzyme activity during the process. For this reason, the process was conducted in a 7L bioreactor, using initially batch system and after 48 hours the system was changed to continuous process with 0.04. h-1 for more 72 hours, with 120 total hours process. Data values showed the 9 g/L.h of productivity and 228 g/L of total FOS concentration