Produção de gomas por microrganismos.final

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA ANA PAULA TRAVALINI PRISCILA DA SILVA OLIVEIRA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PRODUÇÃO DE GOMAS POR MICRORGANISMOS PONTA GROSSA NOVEMBRO/2011 1. Gomas As gomas, também conhecidas como hidrocolóides, são polímeros de cadeia longa, de alto peso molecular, extraídas de algas marinhas, sementes, exudados de árvores e de colágeno animal. Algumas são produzidas por síntese microbiana e outras pela modificação de polissacarídeos naturais (RIBEIRO et al, 2008). As propriedades funcionais das gomas são afetadas pelo tamanho e orientação molecular, ligações iônicas e de hidrogênio, tamanho da partícula, temperatura, concentração e outros fatores. A dissolução das gomas em meio aquoso depende de uma dispersão adequada e das condições físico-químicas do meio, ou seja, pH, presença de íons e temperatura. Esses parâmetros afetam diferentemente cada tipo de goma e podem atingir a textura do produto final (ZÓIA, 2011). As gomas são espessantes e podem ou não ser gelificantes. Apresentam também propriedades secundárias, incluindo estabilização de emulsões e de sóis, controle de cristalização, inibição de sinérese, encapsulação e formação de filmes (RIBEIRO et al, 2011). Na indústria alimentícia, a importância da utilização das gomas reside, principalmente, nas suas habilidades de aumentar a viscosidade e formar gel e seus efeitos estabilizantes de dispersões. Essas propriedades podem ser obtidas somente após a dissolução da goma no meio aquoso. Quando solubilizadas, as moléculas são capazes de se reorganizar de duas formas diferentes: ligação com as moléculas de água, denominada de efeito de espessamento, ou pela construção de redes, envolvendo zonas de ligação, denominado de efeito de geleificação. Não proporcionam calorias e são muito importantes por acrescentarem características de textura e sensação tátil bucal aos substitutos de gordura. A escolha da goma adequada a uma formulação específica depende de suas propriedades físicas e químicas e do sinergismo com outros hidrocolóides ou componentes do alimento (ZÓIA, 2011). O sinergismo entre hidrocolóides é de grande interesse comercial, pois além de possibilitar novas funcionalidades, pode reduzir a quantidade de polissacarídeos usados, reduzindo os custos. Quando a interação é positiva, resulta no aumento da viscosidade ou na gelificação (MOTHÉ et al, 2002 apud KATZBAUER, 1998). 2. Gomas produzidas por microrganismos A biotecnologia pode ser entendida como o conjunto de conhecimentos, técnicas e métodos, de base científica ou prática, que permite a utilização de seres vivos como parte integrante e ativa do processo de produção industrial de bens e serviços. Microrganismos geralmente reconhecidos como seguros (GRAS), como as bactérias lácticas (LAB), bactérias propiônicas e bifidobactérias, são capazes de produzir exopolissacarídeos (polissacarídeos extracelulares, produzidos por alguns fungos e bactérias) em grandes quantidades (CANILHA et al., 2006). Biopolímeros microbianos são macromoléculas formadas por monossacarídeos e derivados ácidos, podendo ser sintetizados por bactérias, fungos e leveduras. Os biopolímeros encontram vasto campo de aplicação nos mais variados ramos industriais, sendo que as características reológicas são dependentes da composição química, que por sua vez depende da cepa, da fonte de carbono e condições utilizadas no processo fermentativo, como o teor de oxigênio dissolvido, temperatura e tempo de fermentação (BRANDÃO et al., 2008). Diversos microrganismos sintetizam poliosídeos (são cadeias longas que formam uma rede unitária com a finalidade de “prender” a molécula de água, devido ao seu alto índice de absorção desse elemento) de importância industrial (SCRIBAN, 1985). Os microrganismos produzem polissacarídeos como elementos estruturais e protetores contra organismos invasores e/ou para evitar perda excessiva de umidade sob condições de secagem, e é um produto capaz de formar soluções viscosas em meio aquoso, mesmo em baixas concentrações (Ribeiro et al, 2008). Atualmente, existe um grande interesse comercial para a produção de gomas a partir de microrganismos devido à vasta diversidade de suas estruturas e propriedades. Estes por sua vez têm uma grande área de aplicação na indústria de alimentos, por exemplo, farmacêutica e outras mais, devido suas várias propriedades que otimizam os produtos finais, tais propriedades são estabilizantes, espessantes, emulsificantes, gelificante e texturizante (CANUTO, 2006 apud SUTHERLAND, 1990). A procura por microrganismos capazes de biosintetizar gomas hidrossolúveis de elevada importância comercial começou com um estudo, de alguns cientistas, que ocorreu porque os Estados Unidos precisavam complementar ou substituir o mercado de gomas naturais extraídas de outros meios como algas marinhas (alginatos), árvores (goma arábica, goma caraia, goma tragacante), sementes (goma lacusta), de cereais (amido) eles reconheceram que a produção de gomas por fermentação poderia ser um modo mais seguro e de disponibilidade constante, independente de condições externas, permitindo também um maior controle de qualidade dos lotes. Ainda, um segundo motivo para a pesquisa, foi à superprodução de amido de milho nos Estados Unidos, gerando uma abundante fonte de carbono que poderia ser facilmente convertida em Dglicose para o uso durante as fermentações dessas gomas microbianas (CANUTO, 2006 apud IELPI et al., 1993 e KENNEDY & BRADSHAW, 1984). Os microrganismos possuem a habilidade de sintetizar e secretar polissacarídeos (exopolissacarídeos). Os principais exopolissacarídeos com aplicações industriais são: xantana, gelana, dextrana, alginato, levana, curdlana e pululana. A estrutura desses polissacarídeos pode ser bastante variada. Dextrana e pululana, por exemplo, são homopolissacarídeos de glucose. A cadeia é linear na pululana e ramificada na dextrana. Gelana é um heteropolissacarídeo constituído de ácido glucurônico, glucose, ramnose com grupos acetato e glicerato na sua estrutura (CUNHA, 2009). 3. Os principais tipos de gomas produzidas pelos microrganismos 3.1 Goma Xantana A goma xantana é um heteropolissacarídeo aniônico exocelular produzido, via fermentação, pela bactéria Xanthomonas campestris. Ela é formada por uma cadeia principal de unidades de β–D-glicose ligadas nas posições 1,4 (MOTHÉ et al., 2002 apud TAKO & NAKAMURA, 1985). A goma é totalmente solúvel em água quente ou fria e produz dispersões de viscosidade muito alta em concentrações muito baixas da goma. A goma é estável em uma ampla faixa de pH e na faixa de temperatura de 0 a 100ºC, de condições de congelamento até a ebulição e é compatível com muitos sais e ácidos presentes em alimentos. Com a goma guar aumenta a viscosidade e com a goma locusta, forma-se um gel termorreversível (RIBEIRO et al., 2008). 3.2 Goma Gelana Goma gelana é um nome genérico do exopolissacarídeo elaborado a partir da bactéria Sphingomonas elodea, também conhecida como Pseudomonas elodea (MARTIN et al., 1996; ZÓIA, 2011). É um heteropolissacarídeo linear de alto peso molecular composto por quatro distintos polissacarídeos. Pode ser produzido com grupos acilados substituídos (primeiro caldo do precipitado) ou sem grupos acilados ou em pequena quantidade (tratamento alcalino). Forma gel em baixíssimas concentrações, sendo géis suaves e elásticos com grupos acilados e rígidos e quebradiços com grupos acilados removidos. Tem a capacidade de desenvolver redes tixotrópicas sem promover alta viscosidade, excelente para suspensão de pedaços de frutas em bebidas com baixa viscosidade e tem particularidade única de formação de rede por interação molecular (caixa de ovo) e hélices ao mesmo tempo, dependendo do grau de remoção dos grupos acilados. Muito aplicada em bebidas em geral, confeitaria, recheios, etc (ZÓIA, 2011). A gelana exibe boa estabilidade em uma ampla faixa de pH (3,5-8,0). A estabilidade em pH ácido é uma vantagem distinta em produtos à base de frutas. De acordo com sua propriedade de produzir um gel termoreversível, a goma gelana pode ser utilizada em substituição ao ágar (CANILHA et al., 2006 apud SYLVAIN e LACROIX, 1999). Devido à diversidade de suas estruturas e propriedades, a gelana tem uma vasta aplicação nas indústrias alimentícia, farmacêutica e outras, como texturizante, estabilizante, espessante, emulsificante e agente gelificante (CANILHA et al.,2006 apud JIN et al., 2003). A produção de gelana tem sido relacionada ao crescimento celular. Desta forma, fatores que afetam adversamente o crescimento celular podem limitar a produção de gelana. As fermentações para a produção de gelana são realizadas em meio com pH entre 6,0-7,0 e temperatura de 30 °C, durante períodos de 30 a 60 horas. A agitação e a aeração são variadas de acordo com o tipo de fermentador empregado, havendo a necessidade de aumento da agitação e da aeração ao longo das fermentações para contornar os problemas causados pela natureza viscosa do meio (CANILHA et al., 2006 apud MANNA et al., 1996; GIAVASIS et al., 2000). Estudos sobre o requerimento nutricional para a ótima produção de gelana em meio sintético revelaram que o amido é a melhor fonte de carbono, e o triptofano a melhor fonte de nitrogênio (CANILHA et al., 2006 apud NAMPOOTHIRI et al., 2003), embora outros trabalhos indiquem que o meio sem fonte de nitrogênio aumente a produção de gelana (CANILHA et al., 2006 apud JIN et al., 2003). A otimização dos parâmetros fermentativos apenas não é suficiente para assegurar um alto rendimento de gelana. O passo crucial, após a fermentação, é a recuperação da gelana (CANILHA et al., 2006 apud GIAVASIS et al., 2000). Dois processos têm sido empregados, um levando à produção de gelana comercial (contendo cátions divalentes) e outro processo curto para a preparação de sais de cátion monovalentes de gelana (CANILHA et al., 2006 apud KANG et al., 1982; GIAVASIS et al., 2000). Após a recuperação, o produto dever ser seco a 55°C por 1 hora. (CANILHA et al., 2006 apud GIAVASIS et al., 2000). 3.3 Goma Dextrana As dextranas são produzidas por bactérias: Acetobacter, Streptococcus, Leuconostoc, sendo produzida principalmente por Leuconostoc mesenteroides e L. dextranicum. Trata-se de polissacarídeos de grau de polimerização elevada, formados por resíduos de glicose ligados em α 1-6 com ramificações em α 1-4 ou α 13(SCRIBAN, 1985; BOBBIO et al., 2001; CANILHA et al., 2006 apud SANKPAL et al., 2001). A dextrana tem muitas aplicações industriais devido ao seu caráter não iônico e boa estabilidade. Entre outras aplicações, a dextrana é amplamente usada na indústria farmacêutica como, por exemplo, expansor volumétrico de sangue ou plasma sanguíneo artificial, como componente em géis de filtração em cromatografia, e na indústria de alimentos como estabilizantes e agentes de viscosidade (CANILHA et al., 2006 apud SHAMALA e PRASAD, 1995; SIMS et al., 2001; SCRIBAN, 1985). A síntese de dextrana ocorre extracelularmente, sendo o substrato transformado em polissacarídeo sem penetrar no interior da célula. Isso é possível graças a uma enzima denominada dextrana-sacarase (a-1,6-glucana 6-a-D-glucosiltransferase). Esta enzima é excretada pelo microrganismo no meio de cultura, na presença de sacarose. Ela atua na molécula de sacarose, liberando a frutose e transferindo a molécula de glicose a uma molécula receptora, no caso moléculas de dextrana em expansão (CANILHA et al., 2006 apud YAMAMOTO et al., 1993; PADMANABHAN e KIM, 2002). A dextrana é comercialmente produzida na forma convencional “in vivo” (na presença de microrganismo), ou “in vitro” (na ausência de microrganismo). A forma convencional compreende 3 etapas simultâneas: crescimento do microrganismo, síntese e excreção da enzima dextrana-sacarase e síntese da dextrana pela ação da enzima. A sacarose é a fonte de carbono e energia para o microrganismo, o indutor e o substrato da enzima (CANILHA et al., 2006 apud MAUGERI FILHO, 2001). Além da sacarose, o meio de fermentação também contém fosfato inorgânico e uma fonte de nitrogênio orgânica (CANILHA et al., 2006 apud CRUEGER, 1984). Terminada a fermentação (processo em batelada), a dextrana é precipitada com metanol ou etanol, com eliminação prévia das células. A dextrana assim obtida é de alto peso molecular (2 a 40 milhões de daltons). No preparo de dextrana clínica, a dextrana é hidrolisada com H2SO4 ou HCl (pH=1,0), em condições de tempo e temperatura controladas. Segue então o fracionamento com etanol ou metanol, para separar o produto com peso molecular apropriado (CANILHA et al., 2006 apud MAUGERI FILHO, 2001). Com o objetivo de se alcançar melhores rendimentos no processo de produção de dextrana, estão em estudo processos de fermentação contínua e descontínuaalimentada utilizando células livres e técnicas de células imobilizadas (CANILHA et al., 2006 apud SANKPAL et al., 2001). 3.4 Goma Levana As levanas são produzidas por Bacillus. Trata-se de polifrutosanas de alto peso molecular (108), formadas de resíduos frutose ligados em β 2-6, com ramificações em β 1-2. Sua biossíntese é feita por transosilação a partir da sacarose. São utilizadas na fabricação de polímeros (CANILHA et al., 2006). 3.5 Alginatos Os alginatos são habitualmente produzidos por algas, mas também podem ser obtidos a partir de bactérias: Azotobacter vinelandii e certas Pseudomonas. Trata-se de polímeros de ácidos urônicos. São utilizados como formadores de gelatina na indústria alimentar e na indústria farmacêutica, mas também na indústria têxtil e do papel (CANILHA et al., 2006). 3.6 Goma curdlana A goma curdlana é produzida por Alcaligenes fecalis. É um polímero formado por unidades de D-glucose unidas em β-1,3. Não é solúvel em água, porém solúvel em água quente. Forma géis irreversíveis a 80°C. Os géis são estáveis ao congelamento e esterilização. Os géis apresentam sinérese. Pode ser usada como fibra dietética, pois não é absorvida pelo organismo humano e geralmente é utilizada como estabilizante e espessante (BOBBIO et al., 2001). 3.7 Goma Pululana Pululana é o nome genérico dado ao homopolissacarídeo solúvel em água que é produzido extracelularmente por fungos como o Aureobasidium pullulans (CANILHA et al., 2006 apud KACHHAWA et al., 2003). É uma α-D-glucana linear, constituída principalmente de unidades repetidas de maltotriose interconectadas por ligações do tipo α-1,6. A presença de ligações α-1,4 e α-1,6 alternadas resulta em duas propriedades distintas de flexibilidade estrutural e aumento de solubilidade. (CANILHA et al., 2006 apud LEATHERS, 1993). A. pullulans tem um ciclo de vida polimórfico complexo, consistindo de várias formas unicelulares e um micélio filamentoso onde hifas individuais freqüentemente produzem células únicas por gemulação (CANILHA et al., 2006 apud CAMPBELL et al., 2004). A forma unicelular tem sido apontada como a principal produtora de pululana, sendo difícil se alcançar alto rendimento de exopolissacarídeos totais sob condições de cultivo que suportam predominantemente a forma de crescimento micelial, mesmo que pululana seja o único ou principal polissacarídeo sintetizado (CANILHA et al., 2006 apud CAMPBELL et al., 2004). Entre os fatores que influenciam a produção de exopolissacarídeo em A. pullulans estão a variabilidade de características das cepas utilizadas, a natureza da fonte de carbono no meio de cultura, o pH, a temperatura de incubação, os níveis de oxigênio dissolvidos, a configuração do fermentador, e a fonte de nitrogênio (CANILHA et al., 2006 apud MCNEIL e KRISTIANSEN, 1990; SHINGEL, 2004). Também foi observado que o pH ótimo para a produção de pululana varia entre 5,5 a 7,5, enquanto que o pH ótimo para o crescimento celular é igual ou menor que 4,5. Esta diferença nos valores de pH ótimo para a síntese de pululana e o crescimento celular indiretamente confirma a característica independente destes dois processos (CANILHA et al., 2006 apud SHINGEL, 2004). A fim de se alcançar melhores rendimentos e menores custos da produção de pululana, tem sido estudada a utilização de resíduos agroindustriais como substratos e, também, o emprego de células imobilizadas (CANILHA et al., 2006 apud SHINGEL, 2004). Outra estratégia para estabilizar as condições de crescimento e aumentar o rendimento de pululana é o uso de fermentação descontínua-alimentada (CANILHA et al., 2006 apud YOUSSEF et al., 1999). A pululana pode ser comprimida e moldada sem o auxílio de plastificantes, dando origem a filmes transparentes biodegradáveis com uma alta permeabilidade ao oxigênio. Este polímero pode ser usado como adesivo, ligante, espessante, estabilizante, filmes de revestimento e embalagem para alimentos. Pode também ser utilizado na obtenção de material plástico biodegradável, não poluente e comestível (CANILHA et al., 2006 apud SEVIOUR et al., 1992; MAUGERI FILHO, 2001; KACHHAWA et al., 2003). As gomas citadas são apenas alguns exemplos das gomas produzidas por microrganismos. As gomas produzidas por microrganismos não foram, na sua grande maioria, aprovadas para uso em alimentos. Entretanto, suas propriedades bem como a facilidade de sua obtenção certamente constituem incentivo para que os estudos sobre seus efeitos na alimentação humana sejam intensificados para permitir seu uso nos alimentos (BOBBIO et al., 2001). 4. Principal goma destinada à produção alimentícia: Goma Xantana A obtenção de biopolímeros microbianos destinados para alimentação humana é uma tarefa mais complexa do que para a utilização em outros produtos, uma vez que devem ser considerados seguros para o consumo e atender aos requisitos das legislações de alimentos em vigor. Apesar do grande número de pesquisas realizadas há mais de três décadas, até agora apenas três polissacarídeos estão aprovados para uso alimentar nos EUA: xantana produzida por Xanthomonas campestris, gelana por Sphingomonas e dextrana por Leuconostoc (DRUZIAN et al., 2007 apud STREDANSKY et al., 1999; VANDAME et al., 1996). Xanthomonas campestris é uma bactéria fitopatogênica que infecta diversas espécies de crucíferas, causando a morte destas plantas. Quando esta bactéria infecta a planta, ela produz um polissacarídeo de alto peso molecular, conhecido como goma xantana (LUVIELMO et al., 2009 apud FONTANIELLA et al., 2002). Provavelmente a goma xantana deve continuar sendo o biopolímero mais utilizado nos próximos anos, devido às suas características reológicas singulares, pois possui capacidade de alterar as propriedades básicas da água como espessante, estabilizante de emulsões, suspensão, geleificação, entre outras. Soluções de xantana possuem alta viscosidade em baixas concentrações, estabilidade em uma ampla faixa de temperatura, pH e concentração de sais. Por estas razões, a goma xantana tem sido bastante empregada, principalmente nas indústrias alimentícia, farmacêutica e petrolífera (BRANDÃO et al., 2008 apud MORAINE et al., 1973; MAUGERI et al., 2001). O processo de produção da goma consiste nas etapas de obtenção do préinóculo, inóculo, fermentação, pasteurização, remoção das células, precipitação, separação e secagem da goma. O crescimento dos microrganismos e a produção da goma xantana são influenciados por fatores tais como o tipo de bioreator, o modo de operação (batelada ou contínuo), composição do meio, e as condições da cultura (temperatura, pH e concentração de oxigênio dissolvido) (LUVIELMO et al., 2009 apud GARCÍA-OCHOA et al., 2000). Primeiramente, a cepa microbiana selecionada é preservada para possível estocagem por longo prazo através de métodos que mantenham as propriedades desejadas. Para produzir a goma xantana, culturas de Xanthomonas campestris puras são cultivadas usando fermentação aeróbica submersa. O meio esterilizado composto de carboidratos, uma fonte de nitrogênio e sais minerais é inoculado com cultura selecionada, na escala piloto de fermentação, seguido por incubação a 30ºC por três dias em uma escala industrial de fermentação, e por um tratamento térmico para eliminar microrganismos viáveis. A goma xantana é precipitada em solvente (isopropanol, etanol ou acetona), separada, seca, moída, peneirada, e então embalada (LUVIELMO et al., 2009 apud CHI E ZHAO, 2003). Para produzir a goma xantana, a bactéria Xanthomona campestris precisa de vários nutrientes, macronutrientes, tais como carbono e nitrogênio e micronutrientes (como potássio, ferro, e cálcio). A concentração da fonte de carbono afeta o rendimento de goma xantana, sendo a glicose e a sacarose as fontes de carbono mais freqüentemente utilizadas (LUVIELMO et al., 2009). Devido ao mercado crescente, muitos estudos têm sido conduzidos objetivando o melhoramento das linhagens, dos meios de cultivo e dos processos de fermentação, extração e purificação de goma xantana. A maior parte da literatura referente à produção de xantana cita o uso de glicose ou sacarose como fontes de carbono preferenciais, entretanto, algumas fontes alternativas têm sido sugeridas, visando principalmente reduzir os problemas relacionados às questões ambientais com o aproveitamento de resíduos industriais e a diminuição nos custos de produção. Essas fontes podem ser, por exemplo, soro de leite e resíduo de suco de maçã, melaço da cana-de-açúcar entre outros (BRANDÃO et al., 2008 apud SUTHERLAND, 1982; GARCÍA-OCHOA et al., 2000; SOUW et al., 1979; YOO et al., 1999; DRUZIAN et al., 2007). A goma xantana é ideal para a estabilização de dispersões aquosas, suspensões e emulsões. As dispersões de goma apresentam comportamento pseudoplástico, importante para a liberação de odores voláteis, maciez e aparência visual do produto. Operações de bombeamento e enchimento são facilitadas por essa pseudoplasticidade da goma. Em alguns produtos enlatados, a goma é usada como substituto parcial de amido para dar penetração mais rápida de calor, resultando em menor perda da qualidade do produto. Em alimentos que utilizam amido como espessante, a goma xantana aumenta a estabilidade ao congelamento-descongelamento e diminui sua sinérese. A sua propriedade de formar géis com a goma locusta pode ser usada na preparação de pudins instantâneos à base de leite (RIBEIRO et al., 2008). Em substitutos de clara de ovos elaborados com proteína de soro e gelatina, que geralmente são usados em merengues, nougat e doces, a goma xantana tem sido utilizada como estabilizante sem afetar o sabor e a aparência. A goma também funciona como estabilizante em sorvetes, encorpa e previne aderência em géis de frutas. Molhos de tomate para pizza e macarrão são formulados com goma xantana para obter alta viscosidade, mantendo o molho na superfície e inibindo a absorção pela massa (CANUTO, 2006 apud PENNA, 2002). Na indústria de bebidas, a goma xantana tem a propriedade de aprimorar as características de palatabilidade de sucos cítricos e bebidas com aroma e sabor frutais. Em níveis mais altos, é excelente agente de suspensão para sucos de polpa de frutas ou com alto teor de sólidos suspensos (CANUTO 2006, apud MCNEELY & KANG, 1973; LAWRENCE, 1976; KENNEDY & BRADSHAW, 1984; PINCHES & PALLENT, 1986; ATKINSON & MAVITUNA, 1991; BECKER et al., 1998). A goma xantana é, assim como muitas gomas (exceto o amido), não digerível em humanos, e serve para baixar o conteúdo calórico de alimentos e melhorar sua passagem através do trato gastrintestinal. O valor calórico da goma xantana é aproximadamente 0,6 kcal/g (LUVIELMO et al., 2009 apud KATZBAUER, 1998). O processamento de produtos agroindustriais gera todos os dias no Brasil uma enorme quantidade de resíduos com um grande potencial. Estes resíduos, simplesmente dispostos no meio ambiente causam um grave impacto ambiental. A viabilização do uso destes produtos em processos biotecnológicos, como fonte nutricional de microrganismos para síntese de gomas, se apresenta como uma opção importante para minimizar o impacto ambiental, agregando valor a estes resíduos e oferecendo as indústrias a opção de substratos alternativos mais baratos para diminuir os custos de produção de uma grande variedade de insumos industriais (CANUTO, 2006). Referências BOBBIO, P.A.; BOBBIO, F.O. 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