Journal of Biotechnology and Biodiversity | v.8 | n.3 | 2020
Journal of Biotechnology and Biodiversity
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Obtenção biotecnológica de xilitol a partir da casca de mandioca (Manihot esculenta )
Talessa Neves Pereiraa* , Aline Aires Aguiarb , Ernane Bastos Gerrea *
a Universidade Luterana de Palmas, Bras il
b Instituto Tocantinense Presidente Antônio Carlos, Bras il
* Autor correspondente (talessa.np@gmail.com )
I N F O A B S T R A C T
Keyworks
cassava fermentation xytlitol
Biotechnological obtaining of xylitol from cassava (Manihot esculenta)
Xylitol is a sweetener with several human health benefits like the anti cariogenicity and no need insulin for the metabolism therefore, it can be consumed by diabetics, it can be obtained in three ways: extraction, chemical or biotechnological production. To obtain xylitol chemically or biotechnologically it is neces- sary to use materials containing cellulose and hemicellulose, because it is from the hydrolysis of these compounds that xylose is released and then reduced to xylitol. The objective of this work was to obtain xylitol from the xylose present in the cassava peel through the biotechnological way. For this, the peel went through preparation processes before fermentation, such as sanitization, drying, grinding and hy- drolysis, and then the fermentation was done with the use of Candida albicans yeast. The xylose concen- tration obtained by the methodology used was 0.27 g/L, besides this sugar it was obtained 2.16 g/L of cellobiose, 0.18 g/L of glucose and 0.29 g/L of arabnose. At the fermentation stage, the concentration of some products was not detected by the liquid chromatography reader. Therefore, the cassava bark has fermentable sugars that can be used to obtain products, so their disposal is not the only targeting option for this b yproduct.
R E S U M O
Palavras-chave s
mandioca fermentação xilitol
O xilitol é um edulcorante com diversos benefícios para a saúde humana, como a anti cariogenicidade e a não necessidade de insulina para metabolização, portanto ele pode ser consumido por diabéticos, ele pode ser obtido de três formas: extração, produção por processo químico ou biotecnológico. Para obter o xilitol por via química ou biotecnológica é necessária a utilização de materiais que contenham celulose e hemi- celulose, pois é a partir da hidrólise desses compostos que a xilose é liberada e depois reduzida a xilitol. Desta forma, esse trabalho teve como objetivo obtenção de xilitol a partir da xilose presente na casca de mandioca através da via biotecnológica, para isso a casca passou por processos de preparação antes da fermentação, como higienização, secagem, trituração e hidrólise, e então foi feita a fermentação com a utilização da levedura Candida albicans. Aconcentração de xilose obtida através da metodologia utilizada foi de 0,27 g/L, além desse açúcar obteve-se 2,16 g/L de celobiose, 0,18g/L de glicose e 0,29 g/L de arabnose, já na etapa da fermentação a concentração de alguns produtos não foi detectada pelo leitor de cromatografia líquida. Portanto a casca mandioca possui açúcares fermentescíveis que podem ser utiliza- dos na obtenção de produtos, sendo assim o seu descarte não é a única opção de direcionamento para esse subproduto .
Received 05 de March 2020; Received in revised from 21 June 2020; Accepted 27 July 2020
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INTRODUÇÃO
Oaçúcar é um edulcorante amplamente utilizado em diversos alimentos pois adiciona um diferencial que torna o alimento rico em energia e sabor. A sa- carose é o açúcar mais adicionado aos alimentos,
em excesso provoca diversos malefícios, como do- enças dentárias, obesidade e diabetes. Portanto, a
indústria procura por adoçantes alternativos que se pareçam com a sacarose em questão de sabor e re-
duza seus efeitos adversos (Riley et al., 20 11). Uma das alternativas encontradas foi o xilitol. Um poliol que possui o mesmo potencial adoçante da sacarose, entretanto, com alguns pontos diferen- ciais, por exemplo, não precisa da insulina para ser metabolizado, sendo indicado para diabéticos, pos- sui menos calorias e é anticariogênico, essas são al- gumas das principais propriedades que tornam seu consumo vantajoso (Kumar, 2019).
O xilitol é um açúcar benéfico, com aplicações na farmacêutica devido a sua elevada atividade an- tibiótica, a qual é caracterizada por gêneros bacte- rianos incapazes de metabolizar o xilitol e utilizá - lo como fonte de energia, portanto esses microrga-
nismos encontram poucos meios de sobrevivência
quando o indivíduo se alimenta com xilitol, sendo assim ele ajuda a proteger não somente os dentes, mas também outras partes do organismo como pul- mão, ouvidos e derme (Dasgupta, 2017).
Esse edulcorante é obtido a partir de materiais ligno-celulósicos, que quando passam por um pro- cesso de hidrólise, liberam a xilose, matéria prima inicial para a produção do xilitol. Existem três for- mas de se obter o xilitol, a extração que não é mais praticada por ser pouco vantajosa, e as formas bio- tecnológica e química enzimática, ambas precisam de um material lignocelulósico como matéria prima (Yewale et al., 2017). A hidrólise enzimática, uti- liza a enzima xilose redutase para reduzir a xilose a xilitol e a fermentação utiliza as leveduras que pos- suem essa enzima (Ur-Rheman, 2015).
Oprocesso mais vantajoso é a via biotecnológica pois possui baixo custo, utilização de poucos ma-
quinários, não necessidade de condições de tempe- ratura e pressão extremas, a presença das enzimas necessárias naturalmente nas leveduras, a qual é
responsável por uma das principais vantagens já que a produção artificial dessas enzimas gera mui- tos resíduos poluentes (De Souza, 2019).
Portanto esse trabalho tem como objetivo utilizar a casca de mandioca para a obtenção de xilitol já que é composta por material lignocelulósico. Ape- sar da mandioca ser bastante consumida, a sua casca, que é 8% da composição da raiz, na maioria das vezes, é descartada (Dourado et al., 2017). No Brasil no ano de 2016 foram produzidas mais de
23,6 milhões toneladas de mandioca de acordo com De Brito et al. (2019), portanto somente no Brasil a
geração de resíduos a partir desse produto é bas-
tante alta. E esse subproduto, que seria descartado pode ter valor sendo utilizado para obter o xilit ol, um produto de interesse para as indústrias farma-
cêutica, odontológica e alimentícia.
MATERIAL E MÉTODOS
Pré-tratamento da matéria prima
A metodologia utilizada foi adaptada a partir da metodologia utilizada por Arruda et al. (2008). Fo- ram coletados 300 g de casca de mandioca vendida em um supermercado da cidade de Palmas, as quais foram lavadas em água corrente 3 vezes e após a lavagem ela foi secada durante 3 dias em ambiente seco e com pouca ventilação, posteriormente ela foi triturada.
Após o tratamento inicial realizou-se a etapa de hidrólise. Ohidrolisado foi obtido a partir da hidró- lise ácida na casca, onde foram utilizadas 10 gra- mas de matéria prima em 100 mL de ácido Sulfú- rico a 1 mol/L, a casca ficou emergida no ácido du- rante 24 horas em agitação constante a 150 RPM em um agitador magnético modelo 753A tempera- tura ambiente. Após as 24 horas, foram adicionado s 2,4% de carvão ativado ao hidrolisado, em seguida ele foi colocado em uma centrífuga modelo 80- 2b durante 30 minutos à uma rotação de 2500 RPM. Então, o pH da solução foi ajustado para 6,0 uti- lizando solução de hidróxido de sódio a 1 Molar. Após o pH ajustado, adicionou-se 2,4% de carvão ativado em relação ao volume da solução, e depois foi colocado em um incubador rotativo a veloci- dade de 200 RPM, temperatura de 30°C e tempo de 1 hora. Oprecipitado foi removido através de filtra- ção simples. O hidrolisado foi colocado em auto- clave vertical analógica modelo CS 18 durante 15 minutos, 111°C e 0,5 ATM, evitando que os açúca- res fossem consumidos por microrganismos fer- mentescíveis. (Arruda et al., 2008)
Preparação do inóculo de leveduras e processos fermentativos
As leveduras de Candida albicans ATCC 10231 foram semeadas em placas de Petri com ágar S a- bouraud por 24 horas a 37ºC, após esse tempo as leveduras estavam em quantidade adequada para utilização na fermentação. De acordo com Arruda et al. (2008) para a realização da fermentação utili- zou-se o hidrolisado e fez-se 1 inóculo de leveduras com 3 alçadas de 10 microlitros em cada. Posteri- ormente os erlenmeyers foram submetidos à agita- ção constante de 150 RPM, à temperatura de 30°C durante 96h em um incubador rotat ivo.
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Determinação da quantidade de xilitol e xilose
A concentrações de açúcares e xilitol foram de- terminadas por equipamentos de Cromatografia Li- quida de Alta Eficiência (HPLC) marca Shimadzu nas seguintes condições previamente estabelecidas: coluna Phenomenex Rezex - ROA-Organic Ac id H+(300 x 7,8 mm) mantida a 60ºC; detector de ín- dice de refração RID 10A; eluente ácido sulfúrico 5mM, fluxo de 0,6 mL/min.; volume da amostra in- jetada, 20 µL. As amostras foram, previamente, di- luídas e filtradas em filtro de seringa PVDF 0,22um de porosidade.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Afigura 01 apresenta o gráfico obtido a partir do leitor de cromatografia líquida (HPLC), na figura observa-se os picos concentração de açúcares obti- dos a partir da hidrólise da casca de mandioca, os
quais são liberados em determinado tempo em mi- nutos.
A xilose que é o açúcar de maior importância nesse trabalho, obteve 0,27 g/L de concentração, outros sacarídeos também foram encontrados como a celobiose com 2,16 g/L, a glicose com 0,18 g/L e a arabnose com 0,29 g/L. Não houve presença dos açúcares residuais celulose e hemicelulose. Já que esse trabalho foi o primeiro a relacionar casca de mandioca com a obtenção de xilose, os resultados obtidos são comparados com outras matérias pri- mas.
Uma pesquisa feita com o bagaço da cana e que utilizou uma metodologia semelhante, realizada por Arruda et al. (2008), conseguiu uma concentra- ção de 58 g/L de xilose, resultado mais elevado, possivelmente influenciado pelo uso de certos equi- pamentos como concentrador e filtro a vácuo.
Figura 1 - Picos de concentração de carboidratos gerados pela hidrólise da casca de mandioca.
Conforme estudos realizados por Canettieri (2002), usando cavaco de eucalipto como matéria prima, apresentou a influência do uso de um con- centrador à vácuo em sua quantidade final de xi- lose, antes de usá-lo o hidrolisado apresentou 19,17 g/L e após o uso do concentrador, a concentração de xilose foi para 59,21 g/L, ou seja, o uso do con- centrador a vácuo aumentou em 3 vezes a concen- tração.
De acordo com o trabalho realizado por Mussato et al. (2004) com o bagaço de malte, foram alcan- çados 19,16 g/L de xilose, essa matéria prima ainda oferece mais xilose do que a casca de mandioca.
Além do uso de equipamentos que auxiliaram na melhora do rendimento, outros motivos que podem explicar a redução do rendimento nesta pesquisa são o tempo de hidrólise e concentração do ácido sulfúrico, já que esse trabalho, seguiu uma metodo- logia utilizada para obtenção de xilitol a partir do bagaço de cana.
Um trabalho publicado por Cabral et al. (2015), cujo o objetivo era fazer um comparativo entre d uas variáveis, tempo de hidrólise e concentração do ácido, para determinar a melhor condição para hi- drólise da casca de mandioca, chegou à conclusão de que o ácido a 2%(v/v) e o tempo de 96 horas são
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as condições ideais que obtiveram as maiores con- centrações de açúcares redutores e glicose, a meto- dologia utilizada obteve como resultado a concen- tração de 4,4 g/L de glicose e 5,2 g/L de açúcares redutores, contudo não especifica concentração da xilose.
O presente trabalho utilizou condições de hidró- lise diferentes, entretanto apresentou resultados mais específicos com a concentração de quatro açú- cares, incluindo a xilose que era o açúcar de maior
importância nessa pesquisa, contudo devido ao me- nor rendimento da metodologia aplicada, talvez em outras condições, os resultados seriam melhores, a principal evidencia disso é a concentração de celo- biose do presente trabalho, o qual foi o açúcar em maior concentração e que de acordo Knychala et al. (2017) é uma evidencia de hidrólise parcial da ce- lulose, ou seja, o tempo de hidrólise não foi sufici- ente para quebrar todos os polissacarídeos.
Figura 2 - Picos de concentração de produtos da fermentação a partir do HPLC
Na figura 2 tem-se as concentrações de açúcares após a fermentação por Candida albicans, onde o pico que aparece no gráfico gerado pelo HPLC é do açúcar celobiose que obteve concentração de 2,39 g/L. Já os picos de glicose, xilose e arabnose que apareciam na figura 01, não aparecem mais. A pre- sença desse açúcar e a ausência dos outros demons- tra dois resultados importantes, primeiro é que, mesmo sendo mínimos, os açúcares obtidos foram fermentados pela Candida albicans e segundo foi que, a celobiose não é fermentescível por essa leve- d ura.
Após o resultado da hidrólise, a não produção de xilitol em quantidades detectáveis já era esperada já que o trabalho de Mussato et al., (2004) empregou uma concentração de xilose a 50 g/l e obteve rendi- mento de Yp/s=0,86 g/g e produtividade volumé-
trica de Qp = 0,56 g/l.h, portanto para se ter um ren- dimento detectável de xilitol teria que ter uma con- centração maior de xilose.
Portanto o presente trabalho obteve resultados diferentes dos obtidos a partir de outras matérias primas, entretanto a casca de mandioca possui açú- cares fermentescíveis e poderia ser utilizada para obtenção de subprodutos sendo assim o descarte da
casca não é a única opção de destinação. CONCLUSÕES
Ametodologia utilizada no presente trabalho ob- teve 4 açúcares a partir da casca de mandioca, celo- biose, glicose, xilose e arabnose, a concentração de xilose obtida foi de 0,27 g/L. E também trouxe ou- tros resultados importantes onde, a glicose, xilose e arabnose são fermentescíveis pela Candida albi- cans e o dissacarídeo celobiose não é. Portanto a casca de mandioca é um subproduto o qual poderia ser utilizado na cadeia produtiva dessa raíz para in- crementar lucros e diminuir os impactos ambientais no descarte de resíduos.
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