Obtenção de hidrolisado hemicelulósico de acerola e utilização como meio de cultura em fermentação com Saccharomyces cerevisiae recombinante para aproveitamento de arabinose

Abstract

A acerola é uma fonte muito rica de diversos compostos bioativos e açúcares. O bagaço de acerola é uma importante biomassa devido ao seu conteúdo de carboidratos e ótimo potencial para produção de produtos de alto valor agregado. O Brasil possui domínio de sua exportação e faz o seu beneficiamento de forma industrial. De cerca de 70.000 toneladas de acerola produzidas, 30% deste volume é bagaço, descartado pela indústria de sucos. O objetivo deste estudo foi avaliar o potencial fermentativo da levedura recombinante S. cerevisiae MP-C5H1, capaz de consumir a xilose, utilizando o hidrolisado hemicelulósico de bagaço de acerola, rico em pentoses provenientes da fração hemicelulósica, como meio de cultura. A fim de produzir um hidrolizado hemicelulósico rico em açúcares (xilose, arabinose, glicose), para fermentação, uma hidrólise ácida foi realizada com 0,5, 1,0 e 1,5% de H2SO4 diluído. O rendimento de extração da xilose e arabinose, baseados na composição lignocelulósica do bagaço de acerola, foram superestimados, o que pode estar relacionado com a presença de arabinose de cadeias de pectina, não previsto no protocolo de caracterização. O hidrolisado hemicelulósico com concentração de ácido diluído de 1,5% H2SO4 foi escolhido para fermentação em biorreator, em batelada devido aos bons resultados obtidos na extração dos açúcares. As hidrólises proporcionaram concentrações de açúcares de 8,9 g/L para xilose, 5,4 g/L para arabinose, 1,3 g/L para glicose e 3,9 g/L para celobiose. Para realização da fermentação, o hidrolisado foi preparado e concentrado aproximadamente 5 vezes, seguido de uma hidrólise enzimática, atingindo as seguintes concentrações: 29,3 g/L de xilose, 23 g/L de arabinose, 12,4 g/L de glicose e 6,1 g/L de celobiose. Considerando a alta concentração de arabinose encontrada no hidrolisado, fez-se uma fermentação prévia com diferentes concentrações totais de açúcar em meios sintéticos, sendo o meio A (100 g/L ? (40 g/L de xilose, 27 arabinose e 23 glicose)) e meio B (204 g/L (80 g/L de xilose, 54 arabinose e 46 glicose) para avaliar a interferência da alta concentração de arabinose no meio de cultura. Nos meios sintéticos fermentados em frascos agitados, não houve interferência da alta concentração de arabinose e não houve seu consumo, mas houve repressão catabólica pelo excesso de glicose no meio sintético B. No meio sintético A, a xilose e a glicose foram 100% consumidas até 24 h e a produtividade volumétrica global de etanol foi (1,97 g/L/h) e para xilitol (0,81 g/L/h). No meio sintético B, a glicose foi 100% consumida nas primeiras 24 h, porém a xilose só foi esgotada após 48 h. A produtividade volumétrica global de etanol foi (1,90 g/L/h) e para xilitol (0,65 g/L/h). Na fermentação do hidrolisado hemicelulósico, xilose e a glicose foram consumidas apenas 53% de 84,5% do seu conteúdo inicial, respectivamente, até 9 h de processo e foi alcançado uma produtividade volumétrica global de etanol de (1,07 g/L/h) e de (0,20 g/L/h) para xilitol. Não houve consumo da arabinose. Destaca-se que com os parâmetros cinéticos avaliados na fermentação com o hidrolisado hemicelulósico de acerola nos indica perspectivas de utilização como meio de cultura e demostra potencial para a produção de produtos de alto valor agregado através da fermentação como etanol, xilitol e arabinose.

Abstract: Acerola is a rich source of several bioactive compounds and sugars. Acerola bagasse is an important biomass due to its carbohydrate content and great potential for production of high value-added products. Brazil is in control of its exports and transformation from it industrially. Of the approximately 70,000 tons of acerola produced, 30% of this volume is bagasse, discarded by the juice industry. The aim of this study was to evaluate the fermentative potential of the recombinant yeast S. cerevisiae MP-C5H1, capable of consuming xylose, using the hemicellulosic hydrolyzed of acerola bagasse, rich in pentoses from the hemicellulosic fraction, as a culture medium. In order to produce hydrolyzed rich in sugars (xylose, arabinose, glucose) for fermentation, tests with diluted acid hydrolysis were performed with 0.5, 1.0 and 1.5% (H2SO4). The extraction yield of xylose and arabinose, based on the lignocellulosic composition of the acerola bagasse, was overestimated, which may be related to the presence of arabinose from the structure of pectin, not foreseen in the chemical characterization protocol. The hydrolyzed with a diluted acid concentration of 1.5% H2SO4 was chosen for fermentation in a bioreactor, in a single batch, due to the good results obtained in obtaining the sugars. The hydrolysis achieved sugar concentrations of 8.9 g/L for xylose, 5.4 g/L for arabinose, 1.3 g/L for glucose, and 3.9 g/L for cellobiose. To complete the fermentation, the hydrolyzed was prepared and concentrated approximately 5 times, followed by enzymatic hydrolysis, reaching the following concentrations: 29.3 g/L of xylose, 23 g/L of arabinose, 12.4 g/L of glucose and 6.1 g/L cellobiose. Considering a high concentration of arabinose found in the hydrolyzed, a previous fermentation was carried out with different total sugar concentrations in synthetic media, with medium A (100 g/L - (40 g/L of xylose, 27 arabinose, and 23 glucose) ) and medium B (204 g/L (80 g/L of xylose, 54 arabinose, and 46 glucose) to evaluate the interference of the high concentration of arabinose in the culture medium. In the synthetic media fermented in agitated flasks, there was no interference with the high concentration of arabinose and there was no consumption, but there was catabolic repression by excess glucose in synthetic medium B. In synthetic medium A, xylose and glucose were 100% consumed within 24 h and the global volumetric productivity of ethanol was (1.97 g/ L/h) and xylitol (0.81 g/L/h). In synthetic medium B, glucose was 100% consumed in the first 24 h, but xylose was only depleted after 48 h. The global volumetric productivity of ethanol was (1.90 g/L/h) and xylitol (0.65 g/L/h). In the hydrolyzed fermentation, xylose and glucose were consumed only 53% of 84.5% of its initial content, respectively, up to 9 h of process, and a global ethanol volumetric productivity of (1.07 g/L/h) and (0.20 g/L/h) was achieved for xylitol. There was no consumption of arabinose. It is noteworthy that the kinetic parameters evaluated in fermentation with acerola hydrolyzed, indicate perspectives for use as a culture medium and demonstrate the potential to produce high-value-added products through fermentation such as ethanol, xylitol, and arabinose.