BR102017020697A2 - Obtenção de polissacarideo tipo goma xantana por fermentação de soro de leite e casca do maracujá como fonte de carbono e suplemento nutricional - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se à produção de polissacarídeo, tipo goma xantana, através da fermentação em estado liquido utilizando cepas de bactéria do gênero xanthomonas cultivadas em meio composto de soro de leite pré-tratado associado à casca do maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, com ou sem adição de suplementos. o processo fermentativo dos resíduos foi conduzido da seguinte forma: tratamento dos resíduos, esterilização, resfriamento, inoculação, fermentação, centrifugação, precipitação e secagem. esta invenção visa produzir goma xantana aproveitando e avaliando o potencial biotecnológico do soro de leite e da casca do maracujá, como fonte de carbono e suplemento nutricional. nosso invento promove a diminuição ou eliminação total da necessidade de adicionar fonte de carbono tradicional ao meio fermentativo. portanto, o invento visa diminuir o custo de produção de polissacarídeo tipo goma xantana quando comparado ao processo industrial de bioconversão de sacarose ou glicose.

Description

OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL.

CAMPO DA INVENÇÃO

001 A presente invenção refere-se à produção de polissacarídeo, tipo goma xantana, através da fermentação em estado liquido utilizando cepas de bactéria do gênero Xanthomonas cultivadas em meio composto de soro de leite associado à casca do maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, com ou sem adição de suplementos. O processo fermentativo dos resíduos foi conduzido da seguinte forma: tratamento dos resíduos, esterilização, resfriamento, inoculação, fermentação, centrifugação, precipitação e secagem. FUNDAMENTAÇÃO DA INVENÇÃO

002 Os resíduos agroindustriais são gerados a partir do beneficiamento de produtos vegetais e do processamento de alimentos, fibras, couro, madeira, produção de açúcar e álcool e outros, sendo sua produção, geralmente, sazonal, condicionada pela maturidade da cultura ou oferta da matéria-prima.

003 Um dos mais importantes resíduos agroindustriais é o soro de leite. Este resíduo constitui um grave problema para a indústria de laticínios pela alta demanda bioquímica de oxigênio DBO e também pelos elevados volumes excedentes no processamento do queijo. Cerca de 90 a 95% do volume do leite usado para a fabricação de queijos resultam em soro.

004 Entretanto, o soro de leite apresenta características favoráveis para o uso em processos fermentativos, pois retém 55% dos nutrientes do leite. Destes os mais abundantes são lactose - 45 a 50g/L, proteínas solúveis - 6 a 8g/L, lipídios - 4 a 5 g/L e sais minerais - 8 a 10% em extrato seco.

005 Outro resíduo com boas características fermentativas e de expressiva quantidade excedentes na Agroindústria processadora de frutas são as cascas do maracujá, produzidas por toneladas de suco. O Brasil é o líder mundial na produção de maracujá amarelo, com volumes atingindo 694 mil toneladas em 2015 (IBGE 2017). As cascas do maracujá representam cerca de 65 a 70% do peso total dos frutos, e são constituídas basicamente por carboidratos, proteínas e pectinas além de serem ricas em niacina (vitamina B3), ferro, cálcio, e fósforo. Por isso, torna-se importante o seu aproveitamento uma vez que, o maior percentual desse

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 6/18

2/7 volume é descartado nas unidades de processamento sem nenhum tratamento prévio, e uma pequena parte é destinada para a produção de ração animal.

006 Com a finalidade de minimizar os impactos negativos causados ao meio ambiente por esses dois resíduos agroindustriais, é que esses substratos alternativos e de baixo custo podem ser utilizados para a produção de um grande número de metabólitos de interesse industrial, como por exemplo, a produção de goma xantana, por processos biotecnológicos.

007 A goma xantana é um aditivo bastante utilizado na indústria alimentícia, na farmacêutica, de higiene e de cosméticos como estabilizante, espessante e emulsificante. Obtida eficientemente pela bactéria gram-negativa do gênero Xanthomonas em condições aeróbicas de fermentação, apresenta propriedades reológicas bastante distintas e incomuns, tais como: alto grau de pseudoplasticidade, elevada viscosidade mesmo a baixas concentrações, compatibilidade e estabilidade com a maioria dos sais metálicos, excelente solubilidade e estabilidade tanto em meio ácido quanto alcalino, resistência à degradação a elevadas temperaturas, assim como, a oscilações de pH.

ESTADO DA TÉCNICA

008 Tradicionalmente o processo produtivo do polissacarídeo goma xantana ocorre por via fermentativa em meio aquoso contendo glicose e/ou sacarose como fontes de carbono, suplementado com fontes de nitrogênio e sais minerais, a exemplo, das patentes de invenção PI0406309-0, PI0302205-6, PI8200767-5, PI8805325-3, PI1004194-0. Todas elas apresentam a desvantagem competitiva de produzir goma xantana de alto custo.

009 Neste contexto, a biotransformação de resíduos alternativos e de baixo custo, a exemplo, os resíduos lácteos (BR102012032320-6, CA2123262, CA2053620, US4399160, IE8201734, IE8301733), de glicerina e glicerol (PI0705950-7), de vegetais como frutas (PI07017650, BR102012028239-9), soro de soja (US4071406), algaroba (PI09026290 e PI 1103212-0), sabugo de milho (BR102014015027-7), resíduos de mandioca e batata (PI007342-3), e até mesmo de crustáceos (BR102014010124-1), destacam-se como potenciais substratos para a produção de goma xantana, tornando-a bastante atraente sob o ponto de vista ambiental e econômico.

0010 O documento de patente PI1103212-0 refere-se a um processo de produção de goma xantana utilizando sacarose e/ou glicose e glicerol como fonte de carbono no meio de

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 7/18

3/Ί cultivo sendo que a sacarose pode ser tanto a comercial grau alimentício quanto a sacarose presente no extrato aquoso da vagem de algaroba. A combinação de resíduos favoreceu a produção de uma goma xantana com diferentes propriedades reológicas.

0011 O documento de patente PI0701765-0 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, bagaços, polpa, soro, ou conjunto desses resíduos suplementados ou não com nitrogênio e potássio com uma cepa de Xanthomonas para a produção de polímeros, tipo goma xantana, utilizando reatores agitados e aerados.

0012 O documento de patente BR102012028239-9 refere-se a um processo de obtenção de exopolissacarideo, tipo goma xantana, por uso de carboidratos, preferencialmente sacarose, suplementado por fosfato de potássio e demais nutrientes oriundo do extrato da casca do abacaxi. Foi verificada uma bioconversão deste produto para exopolissacarideos tipo goma xantana com diminuição da necessidade de complementos nutricionais (macro e micronutrientes).

0013 O documento de patente brasileiro BR09026290 refere-se ao uso do vegetal algaroba (Prosopis juliflora) como matéria prima para o processo industrial de produção de polissacarídeo, base água, do tipo goma xantana. É relatado a substituição do meio de produção convencional para a produção do biopolímero a partir da algaroba.

0014 O documento de patente brasileiro PI0705950-7 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 Xanthomonas para a obtenção do polissacarídeo, tipo goma xantana, utilizando reatores aerados e agitados. A invenção visa obter substratos alternativos de baixo custo para o processo fermentativo na produção de polissacarídeo tipo goma xantana quando comparado ao processo industrial de bioconversão de sacarose ou glicose.

0015 O documento de patente brasileiro PI0007342-3 relata a produção de goma xantana por fermentação a partir da mandioca, batata e resíduos das agroindústrias cafeeira, de batata e de mandioca. Utilizam resíduos sólidos e hidrolisados de mandioca, bagaço de

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 8/18

4/7 mandioca, (resíduo sólido gerado no processamento da mandioca), batata, batata de refugo (resíduo gerado no processamento de seleção e classificação de batatas) cascas e polpas de café (resíduo gerado no processo de beneficiamento do café), com uma cepa Xanthomonas campestris, utilizando reatores aerados e agitados, bem como define a necessidade de fonte adicional de nitrogênio, fósforo e potássio como nutriente no substrato.

0016 O documento de patente norte americano US4071406 descreve a produção de goma xantana a parti da utilização de soro de soja com substrato. Este resíduo ainda não possui valor nutricional adequado ao meio fermentativo, sendo necessária a adição de outros nutrientes para o crescimento de bactérias do gênero Xanthomonas encarecendo o processo de produção.

0017 A presente invenção proposta diferencia-se das patentes BR00073423 e US4071406, porque além de possuir custo beneficio favorável, proporciona um bom rendimento na produção da goma xantana, devido a complementação de nutrientes existentes na combinação de resíduos utilizados no processo fermentativo, mesmo quando o meio não é suplementado com adição de sais.

0018 O documento brasileiro de patente BR102012032320-6 diz respeito ao processo de fabricação de goma xantana, é caracterizado por ser constituído pela utilização de leite rejeitado autoclavado, fervido ou coalhado no qual é adicionado ureia e mono-hidrogenosulfato de potássio, K₂HPO₄. Apesar de utilizar a mesma cepa Xanthomonas campestris 13951, a invenção proposta, como meio fermentativo utiliza o soro doce combinado com o extrato aquoso da casca do maracujá, diferenciando-se dessa patente mencionada.

0019 Além desta, cita-se a seguir outras patentes utilizando soro de leite, porém com cepas de Xanthomonas diferentes (ATCC 55258, ATCC 55096, ATCC 31923, ATCC 31923, ATCC 31922) e também diferentes meios fermentativos da invenção proposta, relacionadas respectivamente: CA2123262 (Soro com adição de K₂HPO₄, KH₂PO₄, MgSO₄, 7H₂O, H₃BO₃, ZnO, FeCl₃, 6H₂O e CaCO₃); CA2053626 (Soro com adição de glicose ); US4399160 (Soro com adição de sacarose, extrato de levedura, K₂HPO₄, NH₄OH e KHPO₄); IE82201734 (Soro com adição de extrato de levedura e K₂HPO₄); IE8201733 (Soro com adição de glucose, extrato de levedura e K₂HPO₄).

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 9/18

5/7

0020 A invenção proposta diferencia-se das patentes mencionadas por utilizar meio fermentativo composto de soro de leite e extrato aquoso da casca de maracujá como fonte de carbono, visto que, sua composição de macro e micronutrientes é diferenciada. Portanto a combinação desses resíduos irá proporcionar condições diferentes para a produção de goma xantana, necessitando ou não de compostos complementares para o crescimento e manutenção do metabolismo celular das bactérias do gênero Xanthomonas presente no processo. Torna-se importante salientar que a presente invenção vem também favorecer setores produtivos, interligando-os para uma prática de melhor utilização desses resíduos.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

0021 A presente invenção refere-se à produção do polissacarídeo, tipo goma xantana, através da fermentação em estado liquido utilizando cepas de bactéria do gênero Xanthomonas cultivadas em meio composto de soro de leite associado a casca de maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, com ou sem adição de suplementos. O processo fermentativo dos resíduos foi conduzido da seguinte forma: tratamento dos resíduos, esterilização, resfriamento, inoculação, fermentação, centrifugação, precipitação e secagem.

0022 Esta invenção visa produzir goma xantana aproveitando e avaliando o potencial biotecnológico do soro de leite e da casca do maracujá, como fonte de carbono e suplemento nutricional. Nosso invento promove a diminuição ou eliminação total da necessidade de adicionar fonte de carbono tradicional ao meio fermentativo. Portanto, o invento visa diminuir o custo de produção de polissacarídeo tipo goma xantana quando comparado ao processo industrial de bioconversão de sacarose ou glicose.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

0023 A FIGURA 1 representa a visão geral do processo de preparação e fermentação em estado líquido dos resíduos casca de maracujá e soro de leite.

0024 A invenção proposta neste documento de patente de invenção consiste no aproveitamento dos resíduos, soro de leite pré-tratado associado a casca de maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, adicionado de sacarose ou não, como fonte de carbono e suplemento nutricional, para a obtenção de polissacarídeo tipo goma xantana.

0025 A presente invenção revela a otimização dos parâmetros relacionados ao processo, principalmente no que se refere à concentração de nutrientes, objetivando com isso

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 10/18

6/7 a diminuição na suplementação de micronutrientes no meio fermentativo, ao mesmo tempo em que reduz o custo de produção. Portanto, propõe-se neste documento uma alternativa economicamente viável.

0026 As etapas do processo de obtenção de polissacarídeo tipo goma xantana são apresentadas a seguir objetivando definir o escopo da invenção: Preparo dos resíduos, Preparação do inoculo, Fermentação e obtenção da goma e Extração e purificação da goma.

0027 Etapa 1: Preparo dos resíduos - (a) Soro de leite pré-tratado - o soro de leite foi submetido ao aquecimento em temperatura de 75 a 90°C por 3 a 5 minutos, seguido de filtração, para a reirada de resíduos sólidos, com a finalidade de evitar interferências na qualidade da goma. (b) Extrato aquoso da casca do maracujá - obtido por redução de tamanho e desintegração da casca, para a extração do conteúdo solúvel em água, na concentração de 50 a 100g/L, separação das fibras insolúveis da suspensão obtida e esterilização a 121°C por 15 minutos.

0028 Etapa 2: Preparação do inoculo - A produção parte inicialmente da preparação de um inoculo de células jovens (10-24h) em um vaso com agitador, com temperatura entre 25 e 32°C, de 18 a 48°h e agitação entre 60 a 180 rpm, em meio liquido contendo preferencialmente de 1 a 6g/L de extrato de malte, 1 a 6g/L de extrato de levedura, 2 a 8g/L de peptona, 5 a 15 g/L de glicose, direcionado ao número de células de Xanthomonas.

0029 Etapa 3: Fermentação e obtenção da goma - Com o intuito de comprovar a eficiência da combinação dos resíduos: soro de leite pré-tratado associado a casca de maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, como fonte de nutrientes para a produção de goma xantana, testes foram realizados com duas cepas de bactéria do gênero Xanthomonas campestris pv 13951 e Xanthomonas campestris pv 1866. A produção de polímero tipo goma xantana, em fermentação liquida, se dá pela transferência da solução do inoculo para o meio de produção, na proporção de 5 a 25% do volume. O meio fermentativo de produção do biopolimero utilizado é constituído preferencialmente de 50 a 99% de soro de leite prétratado, 1 a 50% de extrato aquoso da casca do maracujá hidrolisado ou não, de 2 a 5,0 g/L de K₂HPO₄, adicionado de 1 a 10g/L de sacarose ou não, com pH ajustado entre 6 a 7,0. O meio fermentativo deve ser esterilizado e resfriado antes de ser inoculado e incubados preferencialmente nas condições de rotação de 150 e 250 rpm, em uma faixa de temperatura

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 11/18

7/7 de 25 a 35°C, por um período de 96 e 120 horas, independentemente da cepa usada, em biorreatores e ou fermentadores contínuos ou em batelada, aerados e/ou agitados mecanicamente.

0030 Etapa 4: Extração e purificação da goma - Após o processo fermentativo foi realizado a separação das células de Xanthomas por centrifugação de 5000 rpm por 10 a 20 min a temperatura de 10°C. Ao sobrenadante foi adicionado preferencialmente álcool etílico 92,8% na proporção de 1:2 a 1:5 (v/v). A goma precipitada pode ser removida por filtração e seca em estufa a temperatura de 30 a 50°C até secagem completa, podendo ser também utilizado o processo atomização em spray dryer.

Claims (7)

REIVINDICAÇÕES

1. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, utilizando as bactérias do gênero Xanthomonas, CARACTERIZADO pelo aproveitamento dos resíduos, soro de leite pré-tratado associado à casca de maracujá na forma de extrato pré-hidrolizado ou não, adicionado de sacarose ou não, como fonte de carbono e suplemento nutricional, sendo extremamente favorável em processos fermentativos.

2/2

2. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por utilizar preferencialmente as cepas Xanthomonas campestris pv 13951 e Xanthomonas campestris pv 1866, para obtenção do polissacarídeo do tipo goma xantana, em meio composto por soro de leite e extrato aquoso da casca de maracujá, como fonte de carbono e suplemento nutricional.

3. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1 e 2, CARACTERIZADO pelo uso de soro de leite pré-tratado a temperatura de 75 a 90°C por 3 a 5 minutos, seguido de filtração.

4. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1 e 2, CARACTERIZADO pela obtenção do extrato da casca de maracujá por intermédio das seguintes etapas: (1) redução de tamanho e (2) desintegração para a extração do conteúdo solúvel em água, na concentração de 50 a 100g/L, (3) separação das fibras insolúveis da suspensão obtida e (4) esterilização.

Petição 870170072679, de 27/09/2017, pág. 13/18

5. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3, CARACTERIZADO por obter a goma xantana preferencialmente nas condições de rotação de 150 e 250 rpm, em uma faixa de temperatura de 25 a 35°C, por um período de 96 e 120 horas, independentemente da cepa usada pertencente ao gênero Xanthomonas; e o meio fermentativo deve preferencialmente ser constituído de 2 a 5,0 g/L de K₂HPO₄, 50 a 99% de soro de leite pré-tratado, 1 a 50% de extrato aquoso da casca do maracujá hidrolisado ou não, adicionado de 1 a 10g/L de sacarose ou não e pH entre 6 a 7,0.

6. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 e 4, CARACTERIZADO pelo uso de biorreatores e ou fermentadores contínuos ou em batelada, aerados e/ou agitados mecanicamente.

7. OBTENÇÃO DE POLISSACARIDEO TIPO GOMA XANTANA POR FERMENTAÇÃO DE SORO DE LEITE E CASCA DE MARACUJÁ COMO FONTE DE CARBONO E SUPLEMENTO NUTRICIONAL, de acordo com a reivindicação 1, 2, 3, 4 e 5 CARACTERIZADO, pelas etapas de pasteurização e/ou esterilização; pela purificação da goma produzida com ou sem centrifugação a 5000 rpm por 10 min; da precipitação com solventes orgânicos preferencialmente álcool etílico 92,8% na proporção de 1:2 a 1:4 (v/v); secagem em estufa a temperatura de 30 a 50°C até secagem completa, podendo ser também utilizado o processo de atomização em spray drier; e moagem para obtenção da goma xantana em pó.