Estudo do comportamento fisiológico de cepas de leveduras frente às condições do meio de cultivo visando processos de fermentação alcoólica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Sistemi per la produzione di enzimi industriali finalizzati alla valorizzazione di scarti agroalimentari

La demolizione idrolitica delle pareti cellulari delle piante tramite enzimi lignocellulosici è quindi uno degli approcci più studiati della valorizzazione di scarti agricoli per il recupero di fitochimici di valore come secondary chemical building block per la chimica industriale. White rot fungi come il Pleurotus ostreatus producono una vasta gamma di enzimi extracellulari che degradano substrati lignocellulosici complessi in sostanze solubili per essere utilizzati come nutrienti. In questo lavoro abbiamo studiato la produzione di diversi tipi di enzimi lignocellulosici quali cellulase, xilanase, pectinase, laccase, perossidase e arylesterase (caffeoilesterase e feruloilesterase), indotte dalla crescita di Pleurotus ostreatus in fermentazione allo stato solido (SSF) di sottoprodotti agroalimentari (graspi d’uva, vinaccioli, lolla di riso, paglia di grano e crusca di grano) come substrati. Negli ultimi anni, SSF ha ricevuto sempre più interesse da parte dei ricercatori, dal momento che diversi studi per produzioni di enzimi, aromi, coloranti e altre sostanze di interesse per l' industria alimentare hanno dimostrato che SSF può dare rendimenti più elevati o migliorare le caratteristiche del prodotto rispetto alla fermentazione sommersa. L’utilizzo dei sottoprodotti agroalimentari come substrati nei processi SSF, fornisce una via alternativa e di valore, alternativa a questi residui altrimenti sotto/o non utilizzati. L'efficienza del processo di fermentazione è stato ulteriormente studiato attraverso trattamenti meccanici di estrusione del substrato , in grado di promuovere il recupero dell’enzima e di aumentare l'attività prodotta. Le attività enzimatiche prodotte dalla fermentazione sono strettamente dipendente della rimozione periodica degli enzimi prodotti. Le diverse matrici vegetali utilizzate hanno presentato diversi fenomeni induttivi delle specifiche attività enzimatiche. I processi SSF hanno dimostrato una buona capacità di produrre enzimi extracellulari in grado di essere utilizzati successivamente nei processi idrolitici di bioraffinazione per la valorizzazione dei prodotti agroalimentari.

Biodegradação de deoxinivalenol por aspergillus oryzae e rhizopus sp.: um estudo bioquímico de degradação e toxicidade

A contaminação aleatória de alimentos por micotoxinas afeta as condições de sanidade das dietas de humanos e animais. Dentre as toxinas fúngicas, deoxinivalenol (DON) se destaca pela freqüente contaminação de produtos agrícolas e alimentos e pela sua resistência a degradação pelo emprego de métodos tradicionais de processamento, o que motiva políticas de controle e a busca por técnicas de descontaminação. A descontaminação biológica empregando processsos fermentativos tem sido apontada como uma alternativa promissora, pois permite degradar micotoxinas através do sistema enzimático microbiano e melhorar características funcionais e sensoriais de matérias-primas e insumos alimentícios. Este trabalho teve por objetivo estudar condições e mecanismos de biodegradação de deoxinivalenol empregando Aspergillus oryzae e Rhizopus sp. em sistemas fermentativos submersos. Para tanto, foi necessário adequar metodologia para reação de derivação na determinação cromatográfica de DON; estudar o potencial e condições de degradação via fermentação submersa por Aspergillus oryzae e Rhizopus sp.; e avaliar a atividade de oxidoredutases e a citotoxicidade dos extratos fementados. A otimização da metodologia estabeleceu a melhor condição para a reação de derivação com 200 µL de anidrido trifluoroacético e 18 mg de bicarbonato de sódio, durante 6 minutos a 74 °C na faixa entre 7 e 21 µg de DON. A quantificação de DON residual no meio fermentado mostrou que as espécies fúngicas Rhizopus sp. e Aspergillus oryzae possuem a capacidade de degradar DON demonstrando índices médios de 87,4 e 62,4% respectivamente, principalmente quando o meio submerso foi água estéril e fermentação realizada durante 48 horas. A velocidade máxima de degradação neste intervalo foi de 10,8 e 12,4 ppb/h, observando também um aumento na atividade específica da enzima peroxidase. Os extratos dos fermentados com A. oryzae e Rhizopus sp. apresentaram efeito de inibição de proliferação celular (IC50) quando concentrados 10 vezes em 48 e 72 horas respectivamente. Os meios fermentados com Rhizopus sp. apresentaram menor efeito (1,5 vezes) quando comparado com Aspergillus oryzae.

Otimização da produção biotecnológica de lipases e correlação com a produção de biossurfactantes

As lipases e os biossurfactantes são compostos produzidos por microrganismos através de fermentações em estado sólido (FES) ou sumberso (FSm), os quais são aplicáveis nas indústrias alimentícia e farmacêutica, na bioenergia e na biorremediação, entre outras. O objetivo geral deste trabalho foi otimizar a produção de lipases através de fermentação em estado sólido e fermentação submersa. Os fungos foram selecionados quanto à habilidade de produção de lipases através de FES e FSm e aqueles que apresentaram as maiores atividades lipolíticas foram utilizados na seleção de variáveis significativas e na otimização da produção de lipases nos dois modos de cultivo. Foram empregadas técnicas seqüenciais de planejamento experimental, incluindo planejamentos fracionários, completos e a metodologia de superfície de resposta para a otimização da produção de lipases. As variáveis estudadas na FES foram o pH, o tipo de farelo como fonte de carbono, a fonte de nitrogênio, o indutor, a concentração da fonte de nitrogênio, a concentração do indutor e a cepa do fungo. Na FSm, além das variáveis estudadas na FES, estudaram-se as variáveis concentração inicial de inóculo e agitação. As enzimas produzidas foram caracterizadas quanto à temperatura e pH ótimos e quanto à estabilidade a temperatura e pH. Nas condições otimizadas de produção de lipases, foi avaliada a correlação entre a produção de lipases e bioemulsificantes. Inicialmente foram isolados 28 fungos. Os fungos Aspergillus O- 4 e Aspergillus E-6 foram selecionados como bons produtores de lipases no processo de fermentação em estado sólido e os fungos Penicillium E-3, Trichoderma E-19 e Aspergillus O-8 como bons produtores de lipases através da fermentação submersa. As condições otimizadas para a produção de lipases através de fermentação em estado sólido foram obtidas utilizando-se o fungo Aspergillus O-4, farelo de soja, 2% de nitrato de sódio, 2% de azeite de oliva e pHs inferiores a 5, obtendo-se atividades lipolíticas máximas de 57 U. As condições otimizadas para a produção de lipases na fermentação submersa foram obtidas utilizando-se o fungo Aspergillus O-8, farelo de trigo, 4,5% de extrato de levedura, 2% de óleo de soja e pH 7,15. A máxima atividade obtida durante a etapa de otimização foi 6 U. As lipases obtidas por FES apresentaram atividades máximas a 35ºC e pH 6,0, enquanto que as obtidas por FSm apresentaram ótimos a 37ºC e pH 7,2. A estabilidade térmica das lipases produzidas via FSm foi superior a das lipases obtidas via FES, com atividades residuais de 72% e 26,8% após 1h de exposição a 90ºC e 60ºC, respectivamente. As lipases obtidas via FES foram mais estáveis em pH´s alcalinos, com atividades residuais superiores a 60% após 24 h de exposição, enquanto as lipases produzidas via FSm foram mais estáveis em pH´s ácidos, com 80% de atividade residual na faixa de pH entre 3,5 e 6,5. Na fermentação submersa a correlação entre a produção de lipases e a atividade emulsificante óleo em água (O/A) e água em óleo (A/O) dos extratos foi 95,4% e 86,8%, respectivamente, obtendo-se atividades emulsificantes máximas O/A e A/O de 2,95 UE e 42,7 UE. Embora a maior produção de lipases tenha sido obtida na fermentação em estado sólido, não houve produção concomitante de biossurfactantes. Os extratos da fermentação submersa apresentaram redução da tensão superficial de 50 mN m -1 para 28 mN m -1 e atividade antimicrobiana frente ao microrganismo S. aureus ATCC 25923, com potenciais antimicrobianos de 36 a 43% nos três primeiros dias de fermentação. A fermentação submersa foi a técnica que apresentou os melhores resultados de otimização da produção de lipases, bem como de produção simultânea de biossurfactantes.

Effectof inoculum in the emulsification index of biossufactants produced by Bacillus velezensis using wheat bran as substrate in solid-state fermentation

Conselho Nacional de Desenvolvimento em Pesquisa (CNPq)

Lasiodiplodan, an exocellular (1 -> 6)-beta-d-glucan from Lasiodiplodia theobromae MMPI: production on glucose, fermentation kinetics, rheology and anti-proliferative activity

Lasiodiplodan, an exopolysaccharide of the (1 -> 6)-beta-d-glucan type, is produced by Lasiodiplodia theobromae MMPI when grown under submerged culture on glucose. The objective of this study was to evaluate lasiodiplodan production by examining the effects of carbon (glucose, fructose, maltose, sucrose) and nitrogen sources (KNO3, (NH4)(2)SO4, urea, yeast extract, peptone), its production in shake flasks compared to a stirred-tank bioreactor, and to study the rheology of lasiodiplodan, and lasiodiplodan's anti-proliferative effect on breast cancer MCF-7 cells. Although glucose (2.05 +/- A 0.05 g L-1), maltose (2.08 +/- A 0.04 g L-1) and yeast extract (2.46 +/- A 0.06 g L-1) produced the highest amounts of lasiodiplodan, urea as N source resulted in more lasiodiplodan per unit biomass than yeast extract (0.74 +/- A 0.006 vs. 0.22 +/- A 0.008 g g(-1)). A comparison of the fermentative parameters of L. theobromae MMPI in shake flasks and a stirred-tank bioreactor at 120 h on glucose as carbon source showed maximum lasiodiplodan production in agitated flasks (7.01 +/- A 0.07 g L-1) with a specific yield of 0.25 +/- A 0.57 g g(-1) and a volumetric productivity of 0.06 +/- A 0.001 g L-1 h(-1). A factorial 2(2) statistical design developed to evaluate the effect of glucose concentration (20-60 g L-1) and impeller speed (100-200 rpm) on lasiodiplodan production in the bioreactor showed the highest production (6.32 g L-1) at 72 h. Lasiodiplodan presented pseudoplastic behaviour, and the apparent viscosity increased at 60A degrees C in the presence of CaCl2. Anti-proliferative activity of lasiodiplodan was demonstrated in MCF-7 cells, which was time- and dose-dependent with an IC50 of 100 mu g lasiodiplodan mL(-1).

Clarification of cane juice for fermentation

Fermentation feedstocks in the sugar industry are based on cane juice, B molasses or final molasses. Brazil has been producing ethanol by directing sugarcane juice to fermentation directly or using lower quality juice as a diluent with B molasses to prepare the fermentation broth. One issue that has received only limited interest particularly from outside Brazil is the most appropriate conditions for clarification of the juice going to fermentation. Irrespective of whether the juice supply is the total flow from the milling tandem or a diffuser station or a part of the total flow, removal of the insoluble solids is essential. However, the standard defecation process used by sugar factories around the world to clarify juice can introduce unwanted calcium ions and remove other nutrients such as phosphorus and nitrogen that are considered essential for the fermentation process. An investigation was undertaken by SRI to assess the effects on the constituents of cane juice when subjected to the typical clarification process in an Australian factory and what conditions would be needed to provide a clarified juice suitable for fermentation. Typical juices from one factory were clarified in laboratory trials under a range of pH conditions and the resulting clarified juices analysed. The results indicated that pH had a major effect on the residual concentrations of key constituents in the clarified juice and that the selected clarification conditions are determined by the nominated quality criteria of clarified juice feedstock for fermentation. Further trials were conducted in overseas factories to confirm the results obtained in Australia. It became apparent that the preferred specifications for clarified juice going to fermentation varied from country to country. Each supplier of fermentation technology had criteria applying to clarified juice feedstock that would have a major impact on the standard of clarification required to achieve compliance with the criteria.

A geometrical approach to the motion planning problem for a submerged rigid body

The main focus of this paper is the motion planning problem for a deeply submerged rigid body. The equations of motion are formulated and presented by use of the framework of differential geometry and these equations incorporate external dissipative and restoring forces. We consider a kinematic reduction of the affine connection control system for the rigid body submerged in an ideal fluid, and present an extension of this reduction to the forced affine connection control system for the rigid body submerged in a viscous fluid. The motion planning strategy is based on kinematic motions; the integral curves of rank one kinematic reductions. This method is of particular interest to autonomous underwater vehicles which can not directly control all six degrees of freedom (such as torpedo shaped AUVs) or in case of actuator failure (i.e., under-actuated scenario). A practical example is included to illustrate our technique.

Decoupled trajectory planning for a submerged rigid body subject to dissipative and potential forces

This paper studies the practical but challenging problem of motion planning for a deeply submerged rigid body. Here, we formulate the dynamic equations of motion of a submerged rigid body under the architecture of differential geometric mechanics and include external dissipative and potential forces. The mechanical system is represented as a forced affine-connection control system on the configuration space SE(3). Solutions to the motion planning problem are computed by concatenating and reparameterizing the integral curves of decoupling vector fields. We provide an extension to this inverse kinematic method to compensate for external potential forces caused by buoyancy and gravity. We present a mission scenario and implement the theoretically computed control strategy onto a test-bed autonomous underwater vehicle. This scenario emphasizes the use of this motion planning technique in the under-actuated situation; the vehicle loses direct control on one or more degrees of freedom. We include experimental results to illustrate our technique and validate our method.

Controlling a submerged rigid body : a geometric analysis

In this paper we analyze the equations of motion of a submerged rigid body. Our motivation is based on recent developments done in trajectory design for this problem. Our goal is to relate some properties of singular extremals to the existence of decoupling vector fields. The ideas displayed in this paper can be viewed as a starting point to a geometric formulation of the trajectory design problem for mechanical systems with potential and external forces.

Microalgal biomass as a fermentation feedstock for bioethanol production

BACKGROUND The increasing cost of fossil fuels as well as the escalating social and industrial awareness of the environmental impacts associated with the use of fossil fuels has created the need for more sustainable fuel options. Bioethanol, produced from renewable biomass such as sugar and starch materials, is believed to be one of these options, and it is currently being harnessed extensively. However, the utilization of sugar and starch materials as feedstocks for bioethanol production creates a major competition with the food market in terms of land for cultivation, and this makes bioethanol from these sources economically less attractive. RESULT This study explores the suitability of microalgae (Chlorococum sp.) as a substrate for bioethanol production via yeast (Saccharomycesbayanus)under different fermentation conditions. Results show a maximum ethanol concentration of 3.83 g L -1 obtained from 10 g L-1 of lipid-extracted microalgae debris. CONCLUSION This productivity level (∼38% w/w), which is in keeping with that of current production systems endorses microalgae as a promising substrate for bioethanol production.

Development of a pilot-scale bacterial fermentation for plasmid-based biopharmaceutical production using a stoichiometric medium

The recognition of the potential efficacy of plasmid DNA (pDNA) molecules as vectors in the treatment and prevention of emerging diseases has birthed the confidence to combat global pandemics. This is due to the close-to-zero safety concern associated with pDNA vectors compared to viral vectors in cell transfection and targeting. Considerable attention has been paid to the potential of pDNA vectors but comparatively less thought has been given to the practical challenges in producing large quantities to meet current rising demands. A pilot-scale fermentation scheme was developed by employing a stoichiometrically-designed growth medium whose exceptional plasmid yield performance was attested in a shake flask environment for pUC19 and pEGFP-N1 transformed into E. coliDH5α and E. coliJM109, respectively. Batch fermentation of E. coliDH5α-pUC19 employing the stoichiometric medium displayed a maximum plasmid volumetric and specific yield of 62.6 mg/L and 17.1 mg/g (mg plasmid/g dry cell weight), respectively. Fed-batch fermentation of E. coliDH5α-pUC19 on a glycerol substrate demonstrated one of the highest ever reported pilot-scale plasmid specific yield of 48.98 mg/g and a volumetric yield of 0.53 g/L. The attainment of high plasmid specific yields constitutes a decrease in plasmid manufacturing cost and enhances the effectiveness of downstream processes by reducing the proportion of intracellular impurities. The effect of step-rise temperature induction was also considered to maximize ColE1-origin plasmid replication.

Bio-hydrogen production from food waste through anaerobic fermentation

In order to protect our planet and ourselves from the adverse effects of excessive CO2 emissions and to prevent an imminent non-renewable fossil fuel shortage and energy crisis, there is a need to transform our current ‘fossil fuel dependent’ energy systems to new, clean, renewable energy sources. The world has recognized hydrogen as an energy carrier that complies with all the environmental quality and energy security, demands. This research aimed at producing hydrogen through anaerobic fermentation, using food waste as the substrate. Four food waste substrates were used: Rice, fish, vegetable and their mixture. Bio-hydrogen production was performed in lab scale reactors, using 250 mL serum bottles. The food waste was first mixed with the anaerobic sewage sludge and incubated at 37°C for 31 days (acclimatization). The anaerobic sewage sludge was then heat treated at 80°C for 15 min. The experiment was conducted at an initial pH of 5.5 and temperatures of 27, 35 and 55°C. The maximum cumulative hydrogen produced by rice, fish, vegetable and mixed food waste substrates were highest at 37°C (Rice =26.97±0.76 mL, fish = 89.70±1.25 mL, vegetable = 42.00±1.76 mL, mixed = 108.90±1.42 mL). A comparative study of acclimatized (the different food waste substrates were mixed with anaerobic sewage sludge and incubated at 37°C for 31days) and non-acclimatized food waste substrate (food waste that was not incubated with anaerobic sewage sludge) showed that acclimatized food waste substrate enhanced bio-hydrogen production by 90 - 100%.