Optimização da hidrólise com ácido diluído para o fraccionamento selectivo das hemiceluloses de palha de sorgo: estudo da bioconversão dos hidrolisados para produção de xilitol

O sorgo é uma potencial cultura energética com especial interesse para os climas mediterrânicos. Quer o seu suco quer a sua fracção lenhocelulósica podem ser utilizados no âmbito das biorrefinarias. O objectivo deste trabalho consistiu na optimização da hidrólise com ácido diluído da hemicelulose do sorgo e sua posterior bioconversão a xilitol. Dada a dificuldade de trabalhar o sorgo verde e a quantidade potencial de açúcares ainda presentes no sorgo seco foi feita uma pré-extracção aquosa (PEA) do sorgo biomassa, cujas condições foram optimizadas (100ºC, 45 min, razão líquido/sólido 7 g/g). Para além disso, foram também caracterizados três tipos de sorgo verde (doce, forrageiro e biomassa) relativamente ao teor e tipo de açúcares presentes no suco e licor da PEA, anteriormente optimizada. O material seco pré-tratado foi submetido a uma hidrólise com ácido diluído, tendo-se estudado a influência do tempo de operação e concentração de catalisador (H2SO4) na hidrólise da hemicelulose, a 130ºC. Os resultados foram interpretados através do factor de severidade combinado (CS), num intervalo entre 1,17-2,31. As condições óptimas correspondem a um CS de 1,98, (1,4% H2SO4 e 75 min), tendo-se recuperado na fase líquida 80% da hemiceluloses sob a forma de pentoses livres, juntamente com baixas concentrações de inibidores. O hidrolisado obtido nas condições optimizadas foi utilizado como meio de crescimento e, após concentração, como meio de cultura para a produção de xilitol pela levedura Debaryomyces hansenii CCMI 941. Como meios de inóculo foram testados o hidrolisado ácido e o licor da PEA, ambos suplementados. O último permitiu o crescimento mais rápido da levedura e a obtenção de concentrações celulares adequadas. No entanto, dado que a fase de latência no meio de produção de xilitol foi superior e, consequentemente a produtividade em xilitol inferior, optou-se pelo crescimento do inóculo em meio contendo hidrolisado. A remoção de compostos inibidores foi avaliada através da destoxificação do hidrolisado com carvão activado que permitiu uma remoção significativa de furfural, compostos fenólicos e ácido acético. No entanto, os melhores resultados da produção de xilitol foram obtidos em hidrolisado não-destoxificado e correspondem a um rendimento em xilitol e produtividade volumétrica de 0,64 g.g-1 e 0,56 g.L-1.h-1, respectivamente. Estes resultados encontram-se entre os melhores descritos na literatura para hidrolisados nãodestoxificados, mostrando assim as potencialidades deste material, da levedura e do processo desenvolvido.

Compostagem e caracterização de resíduos vegetais para utilização como substratos hortícolas

O objectivo deste trabalho foi estudar a utilização de 5 compostos de resíduos de origem vegetal, como componentes de substratos hortícolas. Estudaram-se os processos de compostagem de bagaço de azeitona, bagaço de uva, polpa de alfarroba, casca de eucalipto e casca de pinheiro, caracterizaram-se os compostos obtidos e testou-se a sua aptidão agronómica, como substratos para viveiro de tomate (Lycopersicum esculentum Mill.) em placas alveoladas e cultura de pelargónio (Pelargonium x hortorum) em vaso. Após uma preparação prévia, que em alguns dos resíduos vegetais constou de moenda, suplemento de azoto e aumento do teor de humidade, efectuou-se a sua compostagem em caixas com 1200 L de capacidade, isoladas termicamente, com arejamento por volteio manual. Depois foram analisadas as suas características físicas e químicas e testados na sua aptidão como constituintes únicos de substratos e em misturas com turfa de sphagnum. A maioria dos processos de compostagem apresentou uma evolução habitual da temperatura, com a máxima aproximando-se ou ultrapassando 60 oC. Como excepções, verificou-se um período de compostagem muito longo em bagaço de azeitona; o atraso da fase termofílica em polpa de alfarroba e, na 1ª compostagem de casca de pinheiro, a temperatura não alcançou a zona termofílica. A maioria dos resíduos manifestaram uma acentuada resistência à degradação durante a compostagem, à excepção da polpa de alfarroba e da casca de eucalipto. Contudo, a nível físico-químico e químico registaram-se evoluções acentuadas, sobretudo nas variáveis relacionadas com alterações da superfície das partículas, como por exemplo, a capacidade de troca catiónica. Outras variáveis apresentaram uma evolução interessante para o acompanhamento do processo e o conhecimento do grau de estabilidade do composto final. Foi apreciável o efeito proporcionado pela adição de lamas de estação de tratamento de águas residuais urbanas, como suplemento azotado, a nível das propriedades físicas dos compostos, do aumento da velocidade do processo de compostagem e do enriquecimento dos compostos em macro e micronutrientes. A compostagem não conduziu à melhoria significativa das propriedades físicas dos materiais, excepto em casca de eucalipto. Os compostos caracterizaram-se fundamentalmente por uma reduzida capacidade de retenção de água e uma elevada capacidade de arejamento. Os compostos obtidos com incorporação de lamas apresentaram os valores mais baixos de capacidade de arejamento, mesmo assim dentro dos limites satisfatórios e, os valores mais altos de capacidade de retenção de água. Na cultura em placas alveoladas, o comportamento de muitas das misturas com compostos não se diferenciou do da testemunha, observando-se uma flutuação sazonal do comportamento das misturas nos dois viveiros de cada ano, associada às condições ambientais mais exigentes do ponto de vista da disponibilidade de água. Observou-se um maior número de correlações significativas entre as características dos substratos e as variáveis relativas ao crescimento das plantas nos viveiros efectuados mais tarde, sob condições de maior evapotranspiração. As plantas obtidas no segundo viveiro de tomate foram instaladas em cultura. As características das plantas do viveiro, apresentaram elevada correlação com as respectivas produções obtidas no campo, evidenciando a importância da qualidade das plantas de viveiro, na produção. Nos ensaios de pelargónio em vaso, também se observaram comportamentos idênticos ao da testemunha em muitas das misturas com compostos. Observou-se no 2º ensaio, um maior número de tratamentos com resultados idênticos aos da testemunha, resultante das condições de menor exigência hídrica, as quais fizeram sobressair menos as diferenças de propriedades físicas das misturas. Contudo, a diferença de crescimento obtido em algumas misturas, atribuiu-se também à interferência da continuidade capilar entre o vaso de papel com a estaca enraizada e a mistura em estudo. O trabalho presente mostrou que é possível obter compostos a partir de resíduos orgânicos, com boas características e a preço competitivo para utilização como substratos hortícolas. O processo de compostagem sendo um elemento chave, é fácil de controlar se houver uma regulação eficaz do arejamento e do teor de humidade durante o processo. Apesar de alguns resíduos, como a polpa de alfarroba, serem caros, se tomarmos em consideração o custo da sua eliminação, poderão conduzir a substratos comercialmente viáveis. Em condições ambientais que favoreçam uma maior evapotranspiração ou, em culturas com maior exigência hídrica, pode ser aconselhável a mistura dos compostos estudados com turfa de sphagnum pouco decomposta para melhorar a capacidade de retenção de água.

Screening for biological activities with application in aquaculture in halophytes from the Algarve coastline

Infectious diseases often hamper the production of aquatic organisms in aquaculture systems, causing economical losses, environmental problems and consumer safety issues. The conventional way aquaculture producers had to control pathogens was by means of synthetic antibiotics and chemicals. This procedure had consequences in the emergence of more resilient pathogens, drug contamination of seafood products and local ecosystems. To avoid the repercussions of antibiotic use, vaccination has greatly replaced human drugs in western fish farms. However there is still massive unregulated antibiotic use in third world fish farms, so less expensive therapeutic alternatives for drugs are desperately needed. An alternative way to achieve disease control in aquaculture is by using natural bioactive organic compounds with antibiotic, antioxidant and/or immunostimulant properties. Such diverse biomolecules occur in bacteria, algae, fungi, higher plants and other organisms. Fatty acids, nucleotides, monosaccharides, polysaccharides, peptides, polyphenols and terpenoids, are examples of these substances. One promising source of bioactive compounds are salt tolerant plants. Halophytes have more molecular resources and defence mechanisms, when compared with other tracheophytes, to deal with the oxidative stresses of their habitat. Many halophytes have been used as a traditional food and medical supply, especially by African and Asian cultures. This scientific work evaluated the antibiotic, antioxidant, immunostimulant and metal chelating properties of Atriplex halimus L., Arthrocnemum macrostachyum Moric., Carpobrotus edulis L., Juncus acutus L. and Plantago coronopus L., from the Algarve coast. The antibiotic properties were tested against Listonella anguillarum, Photobacterium damselae piscicida and Vibrio fischeri. The immunostimulant properties were tested with cytochrome c and Griess assays on Sparus aurata head-kidney phagocytes. J. acutus ether extract inhibited the growth of P. damselae piscicida. A. macrostachyum, A. halimus, C. edulis, Juncus acutus and P. coronopus displayed antioxidant, copper chelating and iron chelating properties. These plants show potential as sources of bioactive compounds with application in aquaculture and in other fields.

Development of chitosan packaging films with carvacrol and grape seed extract as antimicrobial and antioxidant agents

In order to produce packaging films with a broad spectrum of action on microorganisms, the effect of two antimicrobial (AM) to be included in the films, carvacrol and GSE were studied separately on different microorganisms. Carvacrol was more effective against the grampositive bacteria than against the gram-negative bacterium. GSE was not effective against yeast. Subsequently, a search for optimal combinations of carvacrol, GSE and the addition of chitosan (as a third component with film forming properties) was carried out. Response surface analysis showed several synergetic effects and three optimal AM combinations (OAMC) were obtained for each microorganism. The experimental validation confirmed that the optimal solutions found can successfully predict the response for each microorganism. The optimization of mixtures of the three components, but this time, using the same concentration for all microorganisms, was also studied to obtain an OAMC with wide spectrum of activity. The results of the response surface analysis showed several synergistic effects for all microorganisms. Three OAMC, OAMC-1, OAMC-2, OAMC-3, were found to be the optimal mixtures for all microorganisms. The radical scavenging activity (RSA) of the different agents was then compared with a standard antioxidant (AOX) BHT, at different concentrations; as also at the OAMC. The RSA increased in the following order: chitosan

Liver-like biosensor: immobilized CYP3A4 sensors as tools for ligand binding and enzyme activity measurements

Cytochromes P450 constitute a super-family of enzymes involved in the metabolism of Xenobiotics, where human cytochrome P450 3A4 is the most abundant of all P450s, accounting for about 50% of all human liver cytochromes. This membrane anchored protein is responsible for the metabolization of a wide array of environmental drugs and intoxicants, mainly due to its haem domain properties, and active site cavity volume. These properties make this protein an excellent subject for biosensor application, although CYO3A4 enzyme is also famous for its instability. Enzyme inactivation at room temperature is a normal conversion process that this enzyme undergoes, that may hamper any biosensing approach.

Aplicação de embalagens ativas com agentes naturais na preservação de alimentos

Este trabalho teve como principal objetivo estudar o efeito de 3 tipos de filme compostos por quitosano, extrato de graínha de uva (EGU) e carvacrol em três matrizes alimentares. As amostras foram embaladas e armazenadas durante 15 dias a 10 ºC e 65% de umidade. A cor (parâmetros Lab), perfil de textura, pH, atividade da água e % de umidade foram avaliados. No salmão verificou-se que o filme com maior concentração de EGU (filme 1) mostrou ser mais eficaz na manutenção da cor laranja/avermelhada (a inicial fresco-9,6; a final filme 1-9,3). Os perfis de textura seguiram o mesmo comportamento para todas as amostras (p>0,05). O pHaumentou de 6,3 a 8,8 na amostra de salmão fresco. O filme 1 foi o que se destacou com valores depHde 7,10 nos dias 1, 2 e 4 (p<0,05). A umidade e atividade da água diminuíram (58-34,49)e aumentaram, respetivamente (0,957-0,974). No abacaxi os valores normalizados de luminosidade variaram entre 0,98 (dia 1) e 0,64 (15 dias de armazenamento). Os valores normalizados de pHforam semelhantes variando entre 0,84 e 1. O fruto perdeu a sua firmeza, contudo os filme 2 e 3 mantiveram as características mais próximas das iniciais. A umidade e a atividade da água não sofreram alterações significativas (p>0,05). No queijo, o filme 3 manteve a sua cor, com valores de ae bmuito próximos à amostra fresco do dia 0. O pHe a textura não apresentaram diferenças significativas (p>0,05) ao longo do tempo. A umidade e a atividade da água apresentaram valores muito próximos, com exceção do filme 2 que diminuiu ao fim dos 15 dias para 0,92. Em geral, verificou-se uma melhoria das amostras relativamente ao ao pH e à cor e uma perda de firmeza. Conclui-se que estes agentes naturais se apresentam, em alguns parâmetros com potencial para desenvolver embalagens ativas com vista ao aumento do tempo de vida útil dos alimentos.

Searching biocompounds in marine natural extracts with potential use in tumor prevention and treatment

Cancer is a multistage process characterized by three stages: initiation, promotion and progression; and is one of the major killers worldwide. Oxidative stress acts as initiator in tumorigenesis; chronic inflammation promotes cancer; and apoptosis inactivation is an issue in cancer progression. In this study, it was investigated the antioxidant, antiinflammatory and antitumor properties of hexane, ether, chloroform, methanol and water extracts of five species of halophytes: A. macrostachyum, P. coronopus, J. acutus, C. edulis and A. halimus. Antioxidant activity was assessed by DPPH• and ABTS•+ methods, and the total phenolics content (TPC) was evaluated by the Folin-Ciocalteau method. The anti-inflammatory activity of the extracts was determined by the Griess method, and by evaluating the inhibition of NO production in LPS-stimulated RAW- 264.7 macrophages. The cytotoxic activity of the extracts against HepG2 and THP1 cell lines was estimated by the MTT assay, and the results obtained were further compared with the S17 non-tumor cell line. The induction of apoptosis of J. acutus ether extract was assessed by DAPI staining. The highest antioxidant activities was observed in C. edulis methanol and the J. acutus ether extracts against the DPPH• radical; and J. acutus ether and A. halimus ether extracts against the ABTS•+ radical. The methanol extracts of C. edulis and P. coronopus, and the ether extract of J. acutus revealed a high TPC. Generally the antioxidant activity had no correlation with the TPC. The A. halimus chloroform and P. coronopus hexane extracts demonstrated ability to reduce NO production in macrophages (> 50%), revealing their anti-inflammatory capacity. The ether extract of J. acutus showed high cytotoxicity against HepG2 cancer cells, with reduced cellular viability even at the lowest concentrations. This outcome was significantly lower than the obtained with the non-tumor cells (S17). This result was complemented by the induction of apoptosis.

Chemical communication in the Mozambique tilapia: a role for amino acids

The Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus) is a maternal mouthbrooding cichlid from the southern Africa. The olfactory sensitivity of the species to 20 amino acids was assessed using the electro-olfactogram (EOG). We estimated whether the olfactory potency of the polar fraction of male urine can be explained by the presence of identified amino acids. In addition, filtrate and amino acid mixture of the urine of Nile tilapia were used to estimate their olfactory potency for O.mossambicus. Finally, concentrations of the main amino acids were measured in the urine of males of different social status and the correlations between amino acid concentration and hierarchical status were explored. L-cysteine, L-glutamine and L-threonine were the most potent stimuli at M while L-proline and L-aspartate were the least potent. Four groups of amino acids were identified according to their thresholds of detection and three groups – according to the similarity of their ɣ-factors. The estimated threshold of detection for O.mossambicus mixture was higher than that for the filtrate. On the contrary, the threshold of detection for the mixture of Nile tilapia was lower than that for the filtrate The concentration of L-arginine in the urine was positively correlated with fish dominance index. Both L-arginine and L-glutamic acid concentrations had much greater variability in dominant males (DI˃0.5) than in subordinate males (DI˂0.5). The urinary concentrations of L-phenylalanine had similar variability in dominant and subordinate groups. The Mozambique tilapia has olfactory sensitivity to all twenty amino acids tested. The fish showed more acute sensitivity to conspecific urine filtrate than to the heterospecific. Olfactory potency of O.mossambicus filtrate can be largely but not fully explained by the presence of L-arginine, L-glutamic acid and L-phenylalanine. Larginine and L-glutamic acid may indicate the dominance status of the fish and, possibly, individual identity.

Bio-synthesis of nanosized semiconductors using mine wastes as material sources

This work describes the synthesis of nanosized metal sulfides and respective SiO2 and/or TiO2 composites in high yield via a straightforward process, under ambient conditions (temperature and pressure), by adding to aqueous metals a nutrient solution containing biologically generated sulfide from sulfate-reducing bacteria (SRB). The nanoparticles‘ (NPs) morphological properties were shown not to be markedly altered by the SRB growth media composition neither by the presence of bacterial cells. We further extended the work carried out, using the effluent of a bioremediation system previously established. The process results in the synthesis of added value products obtained from metal rich effluents, such as Acid Mine Drainage (AMD), when associated with the bioremediation process. Precipitation of metals using sulfide allows for the possibility of selective recovery, as different metal sulfides possess different solubilities. We have evaluated the selective precipitation of CuS, ZnS and FeS as nanosized metal sulfides. Again, we have also tested the precipitation of these metal sulfides in the presence of support structures, such as SiO2. Studies were carried out using both artificial and real solutions in a continuous bioremediation system. We found that this method allowed for a highly selective precipitation of copper and a lower selectivity in the precipitation of zinc and iron, though all metals were efficiently removed (>93% removal). This research has also demonstrated the potential of ZnS-TiO2 nanocomposites as catalysts in the photodegradation of organic pollutants using the cationic dye, Safranin-T, as a model contaminant. The influence of the catalyst amount, initial pH and dye concentration were also evaluated. Finally, the efficiency of the precipitates as catalysts in sunlight mediated photodegradation was investigated, using different volumes of dye-contaminated water (150 mL and 10 L). This work demonstrates that all tested composites have the potential to be used as photocatalysts for the degradation of Safranin-T.

Evaluation of the protective effect of Phlomis purpurea against Phytophthora cinnamomi in Fagaceae and of root metabolites involved

Tese de doutoramento, Ciências Agrárias (Proteção de Plantas), Faculdade de Ciência e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Antioxidant and phenolic compounds in sweet potato peels and leaves: food applications and health benefits

Tese de doutoramento, Ciências Biotecnológicas (Biotecnologia Alimentar), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Avaliação da atividade biológica e teor em fenóis de diferentes extratos de palmeira anã (Chamaerops Humilis L.)

Tese de mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Testes em batch para selecionar fontes de carbono de baixo custo adequadas ao crescimento e atividade de bactérias sulfato-redutoras

Dissertação de mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologias, Universidade do Algarve, 2015

Comparing Zostera and Spartina environments in relation to carbon burial: a sedimentary and geochemical approach from Ria Formosa

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Caracterização funcional da microalga extremófila Coccomyxa sp.

Dissertação de mestrado, Biologia Molecular e Microbiana, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015