Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Food waste valorization through the production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Investigation of the regulation mechanisms for bioplastics production from industrial residues

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Production of chitin-glucan complex by Pichia pastoris

Dissertation for the Degree of Master in Biotechnology

Étude du mécanisme de protection des spermatozoïdes de mammifères par le lait

Le lait écrémé est utilisé depuis plus d’un demi-siècle comme diluant protecteur des spermatozoïdes de mammifères. Depuis quelques années, il existe une demande grandissante pour des diluants exempts de produits d’origine animale. Toutefois, le mécanisme par lequel le lait protège les spermatozoïdes n’est pas connu, ce qui rend difficile de lui trouver un substitut. Les protéines majeures du plasma séminal de taureau, les protéines « Binder of SPerm » (BSP), sont néfastes lors de la conservation de la semence. Les spermatozoïdes sont en contact avec une grande concentration de protéines BSP qui stimulent une extraction continuelle de cholestérol/phospholipides de leur membrane plasmique. Les lipoprotéines de faible densité (LDL) du jaune d’oeuf, un autre composé utilisé dans les diluants, empêcheraient les protéines BSP de se lier à la membrane des spermatozoïdes de taureaux et de stimuler un efflux des lipides membranaires, ce qui les protégerait durant la conservation. Notre hypothèse était que les protéines du lait protègent les spermatozoïdes durant la conservation en séquestrant les protéines BSP. Premièrement, nous avons démontré par filtration sur gel qu’il y a une interaction entre les protéines BSP bovines et les protéines du lait. Le lait écrémé a été fractionné en trois fractions : F1 (alpha-lactalbumine, bêta-lactoglobuline et caséine kappa), F2 (toutes les protéines du lait) et F3 (sels, sucres et petits peptides). Les protéines BSP1 et BSP5 ont une affinité plus grande pour F1 que BSP3, tandis que toutes les protéines BSP ont une affinité pour F2. Le titrage calorimétrique isotherme a permis de confirmer l’interaction entre les protéines BSP et les protéines du lait. L’association entre la protéine BSP1 bovine et les micelles de caséines est caractérisée par une constante d’affinité (Ka) de 3.5 × 10^5 M-1 et un paramètre stoichiométrique (n) de 4,5 BSP1 pour une caséine. L’association entre la protéine BSP1 bovine et l’alpha-lactalbumine (une protéine du sérum principale), est caractérisée par un Ka de 2.4 × 10^5 M-1 et une valeur “n” de 0,8. Ces résultats indiquent que le lait protège les spermatozoïdes bovins en séquestrant les protéines BSP grâce à une interaction protéine : protéine, tandis que le jaune d’oeuf les protège grâce à une interaction protéine : lipoprotéine. Deuxièmement, nous avons démontré par filtration sur gel que les protéines homologues aux BSP bovines retrouvées dans le plasma séminal de porc, d’étalon et de bélier ont une affinité avec les protéines du lait, ce qui suggère que le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait pourrait être le même chez ces espèces. Troisièmement, nous avons caractérisé l’interaction entre BSP1 bovine et les LDL du jaune d’oeuf qui a un Ka de 3.4 ± 0.4 × 10^6 M-1 et une valeur de « n » de 104 BSP1 pour une particule de LDL, indiquant qu’il existe des différences entre le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait et le jaune d’oeuf. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse aideront à créer de nouveaux diluants ne contenant pas de produits d’origine animale afin de cryoconserver les spermatozoïdes des mammifères.

An insight into the mechanism of protein separation by colloidal gas aphrons (CGA) generated from ionic surfactants

Colloidal gas aphrons (CGA), which are surfactant stabilised microbubbles, have been previously applied for the recovery of proteins from model mixtures and a few studies have demonstrated the potential of these dispersions for the selective recovery of proteins from complex mixtures. However there is a lack of understanding of the mechanism of separation and forces governing the selectivity of the separation. In this paper a mechanistic study is carried out to determine the main factors and forces influencing the selectivity of separation of whey proteins with CGA generated from ionic surfactants. Two different separation strategies were followed: (i) separation of lactoferrin and lactoperoxidase by anionic CGA generated from a solution of sodium bis-(2-ethyl hexyl) sulfosuccinate (AOT); (ii) separation of beta-lactoglobulin by cationic CGA generated from a solution of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). Separation results indicate that electrostatic interactions are the main forces determining the selectivity however these could not completely explain the selectivities obtained following both strategies. Protein-surfactant interactions were studied by measuring the zeta potential changes on individual proteins upon addition of surfactant and at varying pH. Interestingly strongest electrostatic interactions were measured at those pH and surfactant to protein mass ratios which were optimum for protein separation. Effect of surfactant on protein conformation was determined by measuring the change in fluorescence intensity upon addition of surfactant at varying pH. Differences in the fluorescence patterns were detected among proteins which were correlated to differences in their conformational features which could in turn explain their different separation behaviour. The effect of conformation on selectivity was further proven by experiments in which conformational changes were induced by pre-treatment of whey (heating) and by storage at 4 degrees C. Overall it can be concluded that separation of proteins by ionic CGA is driven mainly by electrostatic interactions however conformational features will finally determine the selectivity of the separation with competitive adsorption having also an effect. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Production of angiotensin converting enzyme inhibitory peptides from β-lactoglobulin and casein derived peptides: an integrative approach

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) inhibition is one of the mechanisms by which reduction in blood pressure is exerted. Whey proteins are a rich source of ACE inhibitory peptides and have shown a blood pressure reduction effect i.e. antihypertensive activity. The aim of this work was to develop a simplified process using a combination of adsorption and microfiltration steps for the production of hydrolysates from whey with high ACE inhibitory activity and potency; the latter was measured as the IC50, which is the peptide concentration required to reduce ACE activity by half. This process integrates the selective separation of β-lactoglobulin and casein derived peptides (CDP) from rennet whey and their hydrolysis, which results in partially pure, less complex hydrolysates with high bioactive potency. Hydrolysis was carried out with protease N ‘Amano’ in a thermostatically controlled membrane reactor operated in a batch mode. By applying the integrative approach it was possible to produce from the same feedstock two different hydrolysates that exhibited high ACE inhibition. One hydrolysate was mainly composed of casein-derived peptides with IC50= 285 μg/mL. In this hydrolysate we identified the well known potent ACE-I and anti-hypertensive tri-peptide Ile-Pro-Pro (IPP) and another novel octa-peptide Gln-Asp-Lys-Thr-Glu-Ile-Pro-Thr (QDKTEIPT). The second hydrolysate was mainly composed of β-lactoglobulin derived peptides with IC50=128 µg/mL. This hydrolysate contained a tetra-peptide (Ile-Ile-Ala-Glu) IIAE as one of the two major peptides. A further advantage to this process is that enzyme activity was substantially increased as enzyme product inhibition was reduced.

Potential uses of ultrasound in the dairy ultrafiltration processes

There has been a growing interest in the industrial application of ultrasound, especially in the food industry. Power ultrasound can have a number of physical effects; it can increase turbulence through both the introduction of vibrational energy and through acoustic streaming, it can cause both particle agglomeration and particle dispersion and clean surfaces with a scouring action. Our work in this area has focused on the use of ultrasound to enhance membrane processing. Low frequency ultrasound has been used to facilitate cross flow ultrafiltration of dairy whey solutions for both during the ultrafiltration production cycle and the cleaning cycle. During the production cycle, the use of ultrasound reduces both pore blockage and the specific resistance of the fouling cake layer. This leads to higher flux rates and the potential for longer production cycles. During the cleaning cycle, ultrasound systematically increases cleaning efficiency, thus has the potential to reduce both total chemical consumption and system downtime. There was no deterioration in cleaning effectiveness or membrane condition which imples that sonication , has not damaged the membrane itself. Similarly, there was no change in the chemical nature of soluble proteins following sonication.

Drying and denaturation characteristics of α-lactalbumin, β-lactoglobulin, and bovine serum albumin in a convective drying process

Drying and denaturation kinetics of aqueous droplets of α-lactalbumin (α-lac), β-lactoglobulin (β-lg), and bovine serum albumin (BSA) were measured in a convective drying environment. Single droplets having an initial droplet diameter of 2 ± 0.1 mm and containing 10% (w/v) protein concentration were dried using conditioned air (65 and 80 °C, 2-3% RH, 0.5 m/s velocity) for 600 s. The denaturation of these proteins was measured by using reversed-phase HPLC. At the end of 600 s of drying 13.3 and 19.4% α-lac was found to be lost due to denaturation at 65 and 80 °C, respectively. Up to 31.0% of β-lg was found to be denatured, whereas BSA was not found to be significantly (p > 0.05) denatured in these drying conditions. The formation and strength of skin and the associated morphological features were found to be linked with the degree of denaturation of these proteins. The secondary structure of these proteins was significantly (p < 0.05) affected and altered by the drying stresses. The β-sheet and random coil contents were increased in α-lac by 6.5 and 4.0%, respectively, whereas the α-helix and β-turn contents decreased by 5.5 and 5.0%, respectively. The β-sheet and random coil contents in β-lg were increased by 7.5 and 2.0%, respectively, whereas the α-helix and β-turn contents decreased by 3.5 and 6.0%, respectively. In the case of BSA the β-sheet, α-helix, and random coil contents were found to increase, whereas the β-turn content decreased.

Complex coacervation between flaxseed protein isolate and flaxseed gum

Flaxseed protein isolate (FPI) and flaxseed gum (FG) were extracted, and the electrostatic complexation between these two biopolymers was studied as a function of pH and FPI-to-FG ratio using turbidimetric and electrophoretic mobility (zeta potential) tests. The zeta potential values of FPI, FG, and their mixtures at the FPI-to-FG ratios of 1:1, 3:1, 5:1, 10:1, 15:1 were measured over a pH range 8.0-1.5. The alteration of the secondary structure of FPI as a function of pH was studied using circular dichroism. The proportion of a-helical structure decreased, whereas both β-sheet structure and random coil structure increased with the lowering of pH from 8.0 to 3.0. The acidic pH affected the secondary structure of FPI and the unfolding of helix conformation facilitated the complexation of FPI with FG. The optimum FPI-to-FG ratio for complex coacervation was found to be 3:1. The critical pH values associated with the formation of soluble (pHc) and insoluble (pHΦ1) complexes at the optimum FPI-to-FG ratio were found to be 6.0 and 4.5, respectively. The optimum pH (pHopt) for the optimum complex coacervation was 3.1. The instability and dissolution of FPI-FG complex coacervates started (pHΦ2) at pH2.1. These findings contribute to the development of FPI-FG complex coacervates as delivery vehicles for unstable albeit valuable nutrients such as omega-3 fatty acids.

Resíduos e subprodutos agroindustriais e grãos como substratos para produção do fungo entomapatogênico Lecanicillium lecanii

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Production technology for entomopathogenic fungus using a biphasic culture system

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS DE BEBIDAS LÁCTEAS FERMENTADAS E PREPARADAS COM SORO DE QUEIJO MINAS FRESCAL

Nesta pesquisa procurou-se verificar as características físicas e químicas de bebidas lácteas preparadas com três concentrações de soro de queijo Minas Frescal (30, 40 e 50%), empregando-se dois tipos de culturas lácticas: uma tradicional para iogurte (YC-180) contendo cepas mistas de Streptococcus salivarus subsp. thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis e Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus e outra (ABY-1) contendo cepas mistas de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus acidophillus, Bifidobacteria e Streptococcus salivarius subsp. thermophilus. Constatou-se que as bebidas lácteas apresentaram diferença estatística no tempo zero para os teores de gordura e de extrato seco. À medida em que se elevou a proporção de soro em relação ao leite, os teores de gordura e de extrato seco diminuíram. O teor de proteína também diminuiu à medida em que se aumentou o teor de soro nas bebidas lácteas, embora a diferença não tenha sido tão acentuada quanto as observadas para os teores de gordura e de extrato seco. em relação à lactose, não se constatou diferença entre os tratamentos. Os teores de soro não influenciaram o índice de proteólise das bebidas lácteas. Verificou-se todavia que as bebidas elaboradas com a cultura probiótica ABY-1 apresentaram valores superiores para proteólise quando comparadas às bebidas elaboradas com as culturas YC-180. As bebidas lácteas elaboradas com 30% de soro apresentaram maiores valores para viscosidade. As bebidas elaboradas com a cultura YC-180 apresentaram valores superiores para viscosidade durante o período de armazenamento.

Avaliação de catalisadores a base de carbeto e nitreto de molibdênio na obtenção de lactitol via hidrogenação da lactose

Seeking a greater appreciation of cheese whey was developed to process the hydrogenation of lactose for the production of lactitol, a polyol with high added value, using the catalyst Ni / activated carbon (15% and 20% nickel), the nitride Mo2N, the bimetallic carbide Ni-Mo/ activated carbon and carbide Mo2C. After synthesis, the prepared catalysts were analyzed by MEV, XRD, laser granulometry and B.E.T. The reactor used in catalytic hydrogenation of lactose was the type of bed mud with a pressure (68 atm), temperature (120 oC) and stirring speed (500 rpm) remained constant during the experiments. The system operated in batch mode for the solid and liquid and semi-continuous to gas. Besides the nature of the catalyst, we studied the influence of pH of reaction medium for Mo2C carbide as well as evaluating the character of the protein inhibitor and chloride ions on the activity of catalysts Ni (20%)/Activated Carbon and bimetallic carbide Ni-Mo/Activated Carbon. The decrease in protein levels was performed by coagulation with chitosan and adsorption of chloride ions was performed by ion exchange resins. In the process of protein adsorption and chloride ions, the maximum percentage extracted was about 74% and 79% respectively. The micrographs of the powders of Mo2C and Mo2N presented in the form of homogeneous clusters, whereas for the catalysts supported on activated carbon, microporous structure proved impregnated with small particles indicating the presence of metal. The results showed high conversion of lactose to lactitol 90% for the catalyst Ni (20%)/Activated Carbon at pH 6 and 46% for the carbide Mo2C pH 8 (after addition of NH4OH) using the commercial lactose. Monitoring the evolution of the constituents present in the reaction medium was made by liquid chromatography. A kinetic model of heterogeneous Langmuir Hinshelwood type was developed which showed that the estimated constants based catalysts promoted carbide and nitride with a certain speed the adsorption, desorption and production of lactitol