BR102012028238A2 - Obtenção de polissacarídeo tipo goma xantana por uso de açúcar demerara como fonte de carbono e suplemento nutricional - Google Patents

Abstract

OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL. A presente invenção refere-se a um processo de obtenção de exopolissacarídeos tipo goma xantana por uso de açúcar demerara, como fonte de carbono e complemento da suplementação de nitrientes. Utilizando o açúcar demerara, produto oriundo da indústria sucroalcooleira, rico em carboidrato, magnésio, fósforo e potássio, além de demais frações constituídas por cálcio, cobre e viaminas do complexo B, suplementado ou não com outras fontes de nutrientes na presença de cepa de Xanthomonas, em frascos agitados, foi verificado uma bioconversão dese produto para exopolissacarídeo tipo goma xantana com diminuição da necessidade de suplementação de potássio e/ou magnésio a depender da cepa uilizada. O invento visa diminuir o custo de produção de polissacarídeo tipo goma xantana quando comparado ao processo industrial de bioconversão de sacarose ou glicose. Esta invenção caracteriza a otimização dos parâmetros relacionados à concentração da fonte de carbono avaliada (açúcar demerara) e dos nutrientes fosfato de potássio e sulfato de magnésio frente a obtenção do polissacarídeo.

Description

OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL

Campo da invenção A presente Patente de Invenção (PI) diz respeito à utilização do açúcar demerara, produto oriundo da indústria sucroalcooleira, o qual é rico em carboidrato, magnésio, fósforo e potássio, além de demais frações constituídas por cálcio, cobre e vitaminas do complexo B, como meio de cultura (substrato e suplementação nutricional) em processo fermentativo com bactérias do gênero Xanthomonas para produção de exopolissacarídeos do tipo goma xantana, para ser utilizada na indústria química, petroquímica, farmacêutica e de alimentos.

Fundamentos da invenção No mercado industrial atual é possível encontrar uma grande variedade de biopolímeros produzidos naturalmente por microrganismos, prática iniciada por volta da década de 1950 e utilizada até os dias atuais. Estes biopolímeros podem ser caracterizados como polissacarídeos, poliésteres, poliamidas, ou outros a depender da composição molecular do seu esqueleto principal [LUVIELMO, ?. M.; SCAMPARINI, A. R. P. - Goma xantana: produção, recuperação, propriedades e aplicação - Estudos Tecnológicos, 2009]. Atualmente, a- principal matéiia-piima utilizada para produção de biopolímeros são os carboidratos oriundos de plantios comerciais de larga escala, como cana-de-açúcar, milho, beterraba, mandioca, trigo, entre outras, ou ainda algum tipo de óleo vegetal [BORSCHIVER, S.; ALMEIDA, L. F. M.; ROITMAN, T. - Monitoramento tecnológico e Mercadológico de biopolímeros - Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2008]. A produção de biopolímeros microbianos tem atraído amplo interesse industrial e a goma xantana é um excelente exemplo destes biopolímeros. Em relação ao mercado, a goma xantana movimenta em tomo de 408 milhões de dólares, com produção anual relatada em 1998 de 20.000 toneladas, em 2000 de 30.000 toneladas e em 2006 de 50.000 toneladas, demonstrando uma perspectiva de aumento ainda mais para os próximos anos. A goma xantana é um biopolímero com larga escala industrial, sendo principalmente utilizada nas indústrias de alimentos, farmacêutica, cosmética, petroquímica e agrícola, sendo que 65% da sua produção total está localizada na indústria alimentícia [ROSALAM, S.; ENGLAND, R. - Review of xanthan gum production from unmodified starches by Xanthomonas campesti is sp.

Enzyme and Microbial Technology, 2006].

Atualmente a goma xantana é considerada como o polissacarídeo com maior estabilidade entre os existentes no mercado, já que possui a característica de formar soluções aquosas de alta viscosidade, extremamente pseudoplásticas, apresentando estabilidade em ampla faixa de pH (sendo afetada apenas com valores de pH < 2,5 e pH > 11), estável em ampla faixa de temperatura (10°C a 90°C), e a viscosidade é pouco afetada pela presença de sais. Os requerimentos nutricionais mínimos necessários do meio fermentativo para a biosíntese de xantana são as fontes de carbono, nitrogênio e fósforo. A fonte de carbono comercial é a glicose do milho, o que representa um fator crítico para a produção do polissacarídeo [GARCÍA-OCHOA, F.; SANTOS, V. E.; . CASAS, J. A., GÓMEZ, E. - Xanthan gum: production, recovery, and properties - Biotechnology Advances, 2000], podendo representar até 50% do custo do produto final. Apesar de a goma xantana ter propriedades reológicas adequadas para ser utilizada na extração terciária de petróleo, o custo de produção a partir de glicose torna esta aplicação inviável comercialmente, devido à alta quantidade de goma necessária ao processo. Por esse motivo, vem aumentando muito o interesse por substratos alternativos como, por exemplo, resíduos industriais que além de serem normalmente descartados e causar sérios problemas ambientais, podem ser utilizados como uma alternativa para produção de polissacarídeos diminuindo os custos de produção [BRANDAO, L. V.; NERY, T. B. R.; MACHADO, B. A. S.; ESPERIDIÃO, M. C. A.; DRUZIAN, J. I. -Produção de goma xantana obtida a partir do caldo de cana - Ciência e Tecnologia de Alimentos, 2008]. A goma xantana vem sendo um dos biopolímeros mais utilizados e estudados para aplicações industriais. Devido as suas características diferenciadas, no Brasil, na última década houve relevantes progressos relativos ao conhecimento das características químicas, físicas e biológicas do biopolímero bacteriano xantana, obtido de novas pato vares de Xanthomonas, como também a caracterização de inúmeras novas cepas nativas de Xanthomonas campestris. A obtenção de xantana a partir de fontes alternativas é alvo de muita pesquisa entre a sociedade acadêmica com o intuito de diminuir os custos da produção deste polímero e permitindo também o aproveitamento de resíduos agroindustriais. Neste sentido, torna-se importante destacar que o Brasil, de acordo com dados da União da Industiia de Cana-de-Açucar (ÚNICA), é um dos maiores produtores mundiais de açúcar, chegando a uma produção de 33,5 milhões de toneladas em 2010/2011. Usinas de cana-de-açucar podem visar de modo independente ou de modo conjunto, a produção de açúcar, álcool combustível e/ou aguardente. O tratamento inicial do caldo de cana para a produção de qualquer tipo de açúcar é realizado através de uma série de operações englobadas em uma fase denominada ‘defecação , que por sua vez possui como agentes a ação do calor, da cal, do gás sulfuroso, do ácido fosfórico e do carbonato de sódio, entretanto, nem sempre utilizados em conjunto [BAYMA, A. C. - / Tecnologia do açúcar: da matéria-prima à evaporação - Institute do Açúcar e do Álcool, 1974], Em relação ao processo de fabricaçao do açúcar demerara, apenas sao utilizados o calor e o leite de cal (solução de água e cal). O leite de cal é utilizado para neutralizar a acidez do caldo de cana e, sua ação conjunta com um tratamento térmico auxilia na eliminação de algumas impurezas como: albumina, ceras e alguns sais [BAYMA, A. C. - Tecnologia do açúcar: da matéria-prima à evaporação -Instituto do Açúcar e do Álcool, 1974]. Deste modo, o açúcar demerara, que passa apenas por um breve refinamento, apresenta uma coloração mais clara que o açúcar bruto (açúcar mascavo) e maior teor de vitaminas e minerais que o açúcar refinado comum (sacarose), apresentando-se ainda com características de fácil obtenção no país, custo industrial inferior à sacarose pura (P.A.) e perfis nutricionais favoráveis ao crescimento das bactérias do genero Xanthomonas, tornando-se uma alternativa adequada para a obtenção do biopolímero goma xantana, apresentando-se ainda como uma matéria- prima de baixo custo, bastante disponível em nosso país e rica em micronutrientes essenciais para a produção do biopolímero, conforme comprovado nesta patente de invenção.

Na presente invenção, é constatado que a utilização de açúcar demerara em bioprocessos permite obter reduções na suplementaçâo de nutrientes, visto que este tipo de açúcar contém em sua composição compostos necessários e essenciais para o crescimento e metabolismo celular. É importante destacar que o açúcar demerara se caracteriza como uma fonte de carboidrato de menor custo, quando comparado à sacarose ou glicose, uma vez que em comparação a estes, o demerara é obtido em etapas anteriores. Por ser obtido em etapa anterior ao açúcar branco comum (sacarose e/ou glicose), não é submetido a tratamentos intensivos de purificação, clarificação e refinamento, e devido a isso, possui maior quantidade de vitaminas e minerais, reduzindo assim a necessidade de adições de nutrientes específicos ao meio de cultivo, como por exemplo, o potássio (presente no açúcar demerara), micronutiiente essencial para o desenvolvimento da Xanthomonas e um dos nutrientes adicionados ao processo industrial tradicional para a produção de goma xantana. Torna-se importante salientar que a presente invenção possui um importante caráter socioeconômico, isso porque favorece o desenvolvimento de setores produtivos da indústria sucroalcooleira, interligando-os e estimulando-os para uma prática de melhor utilização de matéria-prima, bem como, permite a agregação de valor ao produto. Técnica relacionada A literatura técnica especializada revela documentos de patentes que utilizam meios alternativos como fonte de carbono para a produção de goma xantana a partir de bactérias do gênero Xanthomonas, entretanto, nenhuma delas diz respeito à tecnologia utilizada neste documento de patente, ou seja, a utilização do açúcar demerara como meio de cultura, composto por substrato e suplementação nutricional, em processo fermentativo para a produção deste biopolímeio. O documento de patente brasileiro BR09026290 refere-se à utilização de algaroba para a produção de polímero polissacarídeo base água do tipo goma xantana. É relatado a substituição do meio de produção convencional, do meio de crescimento convencional, ou ambos os meios, para a produção do biopolímero a partir da algaroba. O documento de patente brasileiro BR07017650 faz referência a utilização de resíduos da agroindústria de frutas ricas em carboidratos complexos e/ou simples, além de outros nutrientes, na forma de sólidos, pastosos, líquidos, ou outras formas, envolvendo casca, sementes, bagaço, polpa, soro, ou o conjunto desses resíduos suplementados ou não com nitrogênio ou potássio, com uma cepa de Xanthomonas para a produção de polímeros tipo goma xantana, utilizando reatores aeiados e agitados. O documento de patente chinês CN102220394 relata um método para a produção de goma xantana transparente. A invenção revela ainda as etapas de fermentação e extração, e compara com outros processos convencionais para a produção de goma xantana, descrevendo as vantagens de utilizar um curto tempo para a produção, pequeno consumo de energia e elevada transparência. O documento de patente brasileiro BR07059507 descreve a utilização de glicerina ou glicerol, puro ou impuro, subproduto do biodiesel ou de outras fontes, como fonte de substrato, suplementado ou não com nitrogênio ou potássio e outros nutrientes em meio de cultura utilizada na fermentação por Xanhomonas para a obtenção do polissacarideo tipo goma xantana, utilizando reatores .aerados e agitados. A invenção visa obter substratos alternativos de baixo custo para o processo fermentativo na produção de polissacarideo tipo goma xantana quando comparado ao processo industrial de bioconversao de sacarose ou glicose. O documento de patente brasileiro BR00073423 relata a produção de goma xantana por fermentação a partir de mandioca, batata e resíduos das agroindústrias cafeeira, de batata e de mandioca. Utilizam resíduos sólidos e hidrolisados de mandioca, bagaço de mandioca, (resíduo sólido gerado no processamento da mandioca), batata, batata refugo (resíduo gerado no processo de seleção e classificação de batatas) cascas e polpas de café (resíduo gerado no processo de beneficiamento do café), com uma cepa de Xantomonas campestris, utilizando reatores aerados e agitados, bem como define a necessidade de fonte adicional de nitrogênio, fósforo e potássio como nutriente no substrato. O documento de patente WO 2012030651 refere-se ao método de produção da goma xantana que possui propriedades melhoradas, tais como tolerância a hidratação, taxa de hidratação e propriedades de viscosidade, quando comparadas com a goma xantana convencional, obtendo-se ao mesmo tempo as propriedades de benéficas, tais como a estabilidade em meio enzimático e taxa de cisalhamento. O microrganismo utilizado na fermentação para produzir a goma xantana melhorada é uma estirpe de Xci n th onto net s campestris patovai campestris.

Destaca-se que em alguns documentos de patentes é relatado que as únicas fontes de carbono usadas para a obtenção do biopolímero tipo goma xantana são a sacarose e glicose (patentes nacionais: BR04063090, BR03022056 e BR82007675, internacionais: PT7493 e JP11116603), apresentando a desvantagem competitiva de produzir o biopolímero com elevado custo e inviabilizando-o quando na necessidade de sua aplicação em larga escala, como por exemplo, no setor petroquímico e/ou alimentício. Este fato pode ser viabilizado quando na aplicação de fontes de carbono não totalmente preparadas e/ou purificadas, contendo por isso elevado valor agregado de mercado, mas sim matérias-primas obtidas de forma intermediária ao processo, como o caso do açúcar demerara, objeto de proteção deste documento de patente.

Com isso, a utilização de açúcar demerara como fonte de carbono e suplemento nutricional para a produção de goma xanatana, proposto neste documento de patente de invenção, possui os parâmetro de novidade, pois até o presente momento nenhum trabalho científico ou técnico relata a utilização desta matéria-prima para a produção deste biopolímero. Destaca-se ainda que a tecnologia proposta apresenta atividade inventiva e aplicação industrial, requisitos estes necessários para a concessão da patente requerida.

Sumário da invenção A presente Patente de Invenção (PI) tem como' objetivo fornecer as informações tecnológicas envolvidas na obtenção de exopolissacaiídeos tipo goma xantana a partir da utilização de açúcar demerara, como fonte de carbono e complemento da suplementação de nutrientes.

Descrição detalhada da invenção Para que o processo da invenção possa ser mais bem compreendido e avaliado, sua descrição detalhada será feita a seguir. A invenção consiste na utilização de açúcar demerara, como fonte de carbono e complemento da suplementação de nutrientes na obtenção de exopolissacarídeos tipo goma xantana por fermentação. Esta invenção caracteriza a otimização dos parâmetros relacionados à concentração da fonte de carbono avaliada (açúcar demerara) e dos nutrientes fosfato de potássio e sulfato de magnésio frente a obtenção do polissacarídeo, objetivando a diminuição na suplementação de micronutrientes no meio fermentativo, ao mesmo tempo que reduz o custo de produção de polissacarídeo tipo goma xantana, quando comparado ao processo industrial de bioconversão de sacarose ou glicose, propondo uma alternativa mais viável à produção de exopolissacarídeos através da utilização de uma fonte de carbono mais acessível e nutricionalmente mais correta ao processo, o açúcar demerara.

Com o intuito de comprovar a aplicação do açúcar demerara como fonte de carbono para a produção de goma xantana, testes foram realizados em três espécies do gênero Xanthomonas: Xanthomonas axonopodis pv manihotís IBSBF 290, Xanthomonas sp S6 e Xanthomonas campestris pv campestris IBSBF 472. Esses microrganismos foram mantidos em meio YM (3 g/L de extrato de malte, 3 g/L de extrato de levedura, 5 g/L de peptona, 10 g/L de sacarose e 20 g/L de agar) e renovados a cada 20 dias. A obtenção da goma xantana pode/ser verificada em frascos do tipo Erlenmeyers (250 mL), em outros tipos de vidrarias e/ou equipamentos para este fim, contendo meio fermentativo preferencialmente composto por: (NH4)2S04; H3B03; FeCl3; CaCl2, ZnS04, K2HP04, MgS04.7H20, e açúcar demerara. Após um período de 86 a 106 horas de fermentação, o conteúdo deve ser centrifugado, e a obtenção da goma xantana é realizada através da precipitação, preferencialmente utilizando o etanol, podendo ser utilizado outros reagentes alcoólicos, numa proporção de 1:3 v/v.

Para isso, ainda na etapa inicial, durante a manipulação dos microrganismos, todos os materiais empregados nos ensaios devem ser previamente esterilizados por meio de vapor úmido (em autoclave) a temperatura de 121°C por um período de 20 minutos, podendo também ser utilizada outras técnicas de esterilização, como o uso de câmara de fluxo laminar. Os meios de cultivo e de fermentação foram também esterilizados na mesma condição citada. A manutenção das cepas deve ser realizada preferencialmente em meio solidificado YM (Yeast Malt) na seguinte composição: 3 g/L de extrato de malte, 3 g/L de extrato de levedura, 5 g/L de peptona, 10 g/L de sacarose e 20 g/L de agai. Os repiques devem ser realizados a cada 20 dias, em condições assépticas, utilizando preferencialmente o fluxo laminar, devendo permanecer por 20-30 horas em estufa bacteriológica a 28°C e armazenados a ± 4°C.

Para o preparo do inoculo, deve-se coletar o correspondente a cada alçada de cultura crescida sobre Agar YM, incubada em estufa a 28°C por 24 h, devendo anteriormente ser dissolvido em 2 mL de meio líquido YM (3 g/L de extrato de malte, 3 g/L de extrato de levedura, 5 g/L de peptona e 10 g/L de sacarose), devendo ser este procedimento realizado para um volume total de 28 mL piesente em um frasco Erlenmeyer de 250 mL. Para auxílio na dissolução, o frasco deve ser incubado preferencialmente em agitador orbital, com agitação de 180 rpm a uma temperatura de 25-30°C durante 7 a 15 min. Transcorrido este período, cada 1 mL do meio contendo a cultura deve ser transferido para 14 mL de meio líquido YM presente em frascos Erlenmeyers de 125 mL, sendo mantidos em agitação constante, utilizando preferencialmente um shaker vertical, a 100 rpm numa temperatura de 25-30°C por 20 a 30 horas. Após esse período, deve ser realizada a leitura em espectrofotômetro averiguando uma densidade óptica a 560 nm equivalente a D056o nm = 1,95 (valor este indicado por estudos prévios a presença microbiana na fase log de crescimento dos microrganismos estudados), corresponde a uma concentração celular em torno de 1011 UFC/mL.

A obtenção de goma xantana ocorre em frascos Erlenmeyers de 250 mL, sendo em um volume total correspondente a 100 mL, volume este obtido apos mistura de todo conteúdo de cada preparo de inóculo (15 mL) em 85 mL de meio fermentativo. A condição usada para a obtenção de goma deve ser de 180 rpm a 25-30°C por 86 a 106 horas, independentemente da cepa usada. O meio fermentativo deve preferencialmente ser constituído de (0,001 a 5,0 g/L) (NH4)2S04; H3B03; FeCl3; CaCl2, ZnS04, K2HP04, MgS04.7H20, e (10,0 a 80,0 g/L) açúcar demerara. O açúcar demerara é utilizado no processo como fonte de carbono, podendo ser utilizado isoladamente, bem como, associado com um ou mais carboidratos, como glicose ou sacarose, em diferentes concentrações. Após o processo fermentativo, as amostras correspondentes a 100 mL de meio contida em cada frasco devem ser centrifugadas a uma rotação de 5.000 rpm a 10°C durante 20 minutos para devida remoção celular do caldo fermentativo, que por sua vez possui a goma ainda na forma dissolvida. A biomassa obtida no processo deve ser separada do sobrenadante, devendo ser adicionado preferencialmente álcool etílico 92,8% na proporção de 1:3 (v/v) visando a precipitação da goma xantana, entretanto, outros reagentes alcoólicos e não alcoólicos também podem ser utilizados para a precipitação da goma. O precipitado deve ser encaminhado à estufa a temperatura de 30°C até sua secagem completa, podendo ser também utilizado o processo de liofilização para a secagem. A descrição que se fez até aqui da obtenção de goma xantana utilizando o açúcar demerara como fonte de carbono e suplemento nutricional se refere a uma de suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, mais uma vez ficar claro, que a invenção não está limitada à concretização revelada, pois aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem sei feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito. Desta forma, não pode de forma alguma ser considerada como limitante da invenção, a qual esta limitada ao escopo das reivindicações que seguem.

Claims (5)

1. OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL caracterizado por utilizar o açúcar demerara, produto oriundo da indústria sucroalcooleira ou de outras procedências, como fonte para a obtenção de carbono e suplementação nutricional no meio fermentativo, podendo ser utilizado isoladamente, bem como, associado com um ou mais carboidratos, como glicose ou sacarose, em diferentes concentrações, suplementado ou não com outras fontes de nutrientes, visando obtenção de exopolissacarídeos do tipo goma xantana, utilizando bactérias do gênero Xanthomonas, com diminuição da necessidade de suplementação de potássio e/ou magnésio a depender da cepa utilizada.

2. OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar preferencialmente as espécies Xanthomonas axonopodis pv manihotis IBSBF 290, Xanthomonas sp S6 e Xanthomonas campestris pv campestris IBSBF 472 para a obtenção do exopolissacarídeos do tipo goma xantana, quando o meio contém açúcar demerara como fonte de carbono e suplemento nutricional.

3. OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por obter a goma xantana preferencialmente nas condições de rotação de 180 rpm, em uma faixa de temperatura de 25 a 30°C por um período de tempo de 86 a 106 horas, independentemente da cepa usada pertencente ao gênero Xanthomonas, e o meio fermentativo deve preferencialmente ser constituído de (0,001 a 5,0 g/L) (NH4)2S04; H3BO3; FeCl3; CaCl2, ZnS04, K2HP04, MgS04.7H20, e (10,0 a 80,0 g/L) de açúcar demerara.

4. OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por após o processo fermentativo, o caldo obtido ser centrifugado a uma rotação de 5.000 rpm a 10°C durante 20 minutos para devida remoção celular do caldo fermentativo, que possui a goma ainda na forma dissolvida.

5. OBTENÇÃO DE POLISSACARÍDEO TIPO GOMA XANTANA POR USO DE AÇÚCAR DEMERARA COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado por a biomassa obtida no processo deve ser separada do sobrenadante, devendo ser adicionado preferencialmente álcool etílico 92,8% na proporção de 1:3 (v/v) visando a precipitação da goma xantana, entretanto, outros reagentes alcoólicos e não alcoólicos também podem ser utilizados para a precipitação da goma, e o precipitado deve ser encaminhado à estufa a temperatura de 30°C até sua secagem completa, podendo ser também utilizado o processo de liofilização para a secagem.