Estudo da produção de inulinase por fermentação em estado sólido utilizando como substrato o resíduo úmido cervejeiro e o melaço de cana-de-açúcar

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Yupanqui Mendoza, Sergio Luis
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Toledo
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Processos Químicos e Biotecnológicos
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25049
Resumo: The wet brewing residue (WBR) and sugarcane molasses are by-products of the beer and sugar industries, respectively, which have potential application in biotechnological processes, making them interesting alternatives for their use as substrates in fermentations, aiming produce compounds of industrial interest such as the synthesis of enzymes. In this context, this work aimed to produce Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 inulinases using solid-state fermentation under optimized conditions. Initially, the chemical characterization of WBR and cane molasses was carried out, followed by the evaluation of three pre-treatment conditions for cane molasses (activated carbon, EDTA and sulfuric acid) in order to remove mineral compounds that are inhibitors of enzyme production. . The second stage consisted of a previous evaluation in solid- state fermentation of the molasses concentration, incubation time and humidity variables on the inulinase activity. For the optimization studies, a Plackett-Burman (PB) planning and the Central Rotational Composite Design were used. From the optimized results of inulinase activity, a kinetic evaluation of enzymatic production was performed under optimal conditions and the calculation of productivity, followed by a partial characterization of the enzyme produced. The results of the characterization for WBR and cane molasses, showed that both substrates present an important source of proteins and carbohydrates, respectively. The use of a sulfuric acid treatment for sugarcane molasses was defined as the most appropriate to favor increased enzyme activity. Preliminary analyzes of solid-state fermentation determined that the highest enzyme activity was obtained in 72 h and moisture in the medium in 75%. The evaluation of significant variables through PB planning determined that only three variables (temperature of incubation, concentration of cane molasses and yeast extract) showed positive statistical significance. Through the optimization analysis, it was possible to obtain a maximum inulinase activity at 239,38 U/g and productivity of 3,69 U/g.h, using the values optimized for incubation temperature at 37,5 °C, molasses concentration of 47,1% w/w and 0,16 g of yeast extract for every 5 g of brewing residue. Finally, regarding the characterization, the enzyme showed good stability between 50 and 55 °C and a wide pH range between 4,0 and 6,0, maintaining more than 80% of its activity until 22h of incubation. The kinetic constants corresponding to the apparent Km and Vmax were 13,6 mM and 3,69 g/L.min, respectively. According to the data obtained, it appears that the enzyme obtained in the experiment showed high enzymatic activity, good productivity and stability under different pH and temperature conditions. In this way, the study demonstrates the importance of using agro-industrial residues such as RUC and sugarcane molasses, to be considered candidate substrates in the formulation of solid culture media for the synthesis of enzymes of industrial interest.
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spelling Estudo da produção de inulinase por fermentação em estado sólido utilizando como substrato o resíduo úmido cervejeiro e o melaço de cana-de-açúcarStudy of inulinase production by solid-state fermentation using wet brewing residue and sugarcane molasses as substratesFermentaçãoIndústria açucareiraCerveja - IndústriaFermentationSugar - Manufacture and refiningBeer industryCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICAEngenharia/Tecnologia/GestãoThe wet brewing residue (WBR) and sugarcane molasses are by-products of the beer and sugar industries, respectively, which have potential application in biotechnological processes, making them interesting alternatives for their use as substrates in fermentations, aiming produce compounds of industrial interest such as the synthesis of enzymes. In this context, this work aimed to produce Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 inulinases using solid-state fermentation under optimized conditions. Initially, the chemical characterization of WBR and cane molasses was carried out, followed by the evaluation of three pre-treatment conditions for cane molasses (activated carbon, EDTA and sulfuric acid) in order to remove mineral compounds that are inhibitors of enzyme production. . The second stage consisted of a previous evaluation in solid- state fermentation of the molasses concentration, incubation time and humidity variables on the inulinase activity. For the optimization studies, a Plackett-Burman (PB) planning and the Central Rotational Composite Design were used. From the optimized results of inulinase activity, a kinetic evaluation of enzymatic production was performed under optimal conditions and the calculation of productivity, followed by a partial characterization of the enzyme produced. The results of the characterization for WBR and cane molasses, showed that both substrates present an important source of proteins and carbohydrates, respectively. The use of a sulfuric acid treatment for sugarcane molasses was defined as the most appropriate to favor increased enzyme activity. Preliminary analyzes of solid-state fermentation determined that the highest enzyme activity was obtained in 72 h and moisture in the medium in 75%. The evaluation of significant variables through PB planning determined that only three variables (temperature of incubation, concentration of cane molasses and yeast extract) showed positive statistical significance. Through the optimization analysis, it was possible to obtain a maximum inulinase activity at 239,38 U/g and productivity of 3,69 U/g.h, using the values optimized for incubation temperature at 37,5 °C, molasses concentration of 47,1% w/w and 0,16 g of yeast extract for every 5 g of brewing residue. Finally, regarding the characterization, the enzyme showed good stability between 50 and 55 °C and a wide pH range between 4,0 and 6,0, maintaining more than 80% of its activity until 22h of incubation. The kinetic constants corresponding to the apparent Km and Vmax were 13,6 mM and 3,69 g/L.min, respectively. According to the data obtained, it appears that the enzyme obtained in the experiment showed high enzymatic activity, good productivity and stability under different pH and temperature conditions. In this way, the study demonstrates the importance of using agro-industrial residues such as RUC and sugarcane molasses, to be considered candidate substrates in the formulation of solid culture media for the synthesis of enzymes of industrial interest.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)O Resíduo úmido cervejeiro (RUC) e o melaço de cana-de-açúcar, são subprodutos das industrias cervejeira e açucareira, respectivamente, os quais apresentam potencial aplicação em processos biotecnológicos, tornando-os interessantes alternativas para seu uso como substratos em fermentações, visando produzir compostos de interesse industrial como a síntese de enzimas. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo a produção de inulinases de Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 utilizando fermentação em estado sólido sob condições otimizadas. Inicialmente foi realizado a caracterização química do RUC e do melaço de cana, seguida da avaliação de três condições de pré-tratamento para o melaço de cana (carvão ativado, EDTA e ácido sulfúrico) afim de remover compostos minerais que são inibidores da produção de enzimas. A segunda etapa consistiu em uma avaliação prévia em fermentação em estado sólido das variáveis de concentração do melaço, tempo de incubação e umidade sobre a atividade inulinase. Para os estudos de otimização foram utilizados um planejamento PlackettBurman (PB) e o Delineamento Composto Central Rotacional. A partir dos resultados otimizados de atividade inulinase foi realizado uma avaliação cinética da produção enzimática nas condições ótimas e o cálculo da produtividade, seguido de uma caracterização parcial da enzima produzida. Os resultados da caracterização para o RUC e o melaço de cana, mostraram que ambos os substratos apresentam uma importante fonte de proteínas e carboidratos, respectivamente. O uso de um tratamento com ácido sulfúrico para o melaço de cana, foi definido como o mais adequado para favorecer o aumento da atividade enzimática. As análises preliminares da fermentação em estado sólido determinaram que a maior atividade enzimática foi obtida em 72 h e umidade do meio em 75%. A avaliação das variáveis significativas por meio do planejamento PB determinou que apenas três variáveis (temperatura de incubação, concentração de melaço de cana e extrato de levedura) apresentaram significância estatística positiva. Por meio da análise de otimização, foi possível obter um máximo de atividade inulinase em 239,38 U/g e produtividade de 3,69 U/g.h, utilizando os valores otimizados para temperatura de incubação em 37,5 °C, concentração de melaço de cana de 47,1% p/p e 0,16 g de extrato de levedura para cada 5 g de resíduo cervejeiro. Finalmente, quanto à caracterização, a enzima apresentou boa estabilidade entre 50 e 55 °C e ampla faixa de pH entre 4,0 e 6,0, mantendo mais de 80% de sua atividade até as 22h de incubação. As constantes cinéticas correspondentes ao Km aparente e Vmax foram 13,6 mM e 3,69 g/L.min, respectivamente. De acordo com os dados obtidos, verifica-se que a enzima obtida na experimentação apresentou alta atividade enzimática, boa produtividade e estabilidade em diferentes condições de pH e temperatura. Desta forma, o estudo demonstra a importância da utilização de resíduos agroindustriais como o RUC e o melaço de cana-de-açúcar, para serem considerados substratos candidatos na formulação de meios de cultura em estado sólido para a síntese de enzimas de interesse industrial.Universidade Tecnológica Federal do ParanáToledoBrasilPrograma de Pós-Graduação em Processos Químicos e BiotecnológicosUTFPRSilva, Gracinda Marina Castelo dahttps://orcid.org/0000-0001-8878-2251http://lattes.cnpq.br/5135265548462752Arruda, Priscila Vaz dehttps://orcid.org/0000-0002-2831-2300http://lattes.cnpq.br/1583339937667600Silva, Gracinda Marina Castelo dahttps://orcid.org/0000-0001-8878-2251http://lattes.cnpq.br/5135265548462752Hasan, Salah Din Mahmudhttps://orcid.org/0000-0001-7107-702Xhttp://lattes.cnpq.br/4225442402720592Tiuman, Tatiana Shiojihttps://orcid.org/0000-0002-7700-3459http://lattes.cnpq.br/5533462246112028Yupanqui Mendoza, Sergio Luis2021-05-25T20:23:51Z2021-05-25T20:23:51Z2021-04-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfYUPANQUI MENDOZA, Sergio Luis. Estudo da produção de inulinase por fermentação em estado sólido utilizando como substrato o resíduo úmido cervejeiro e o melaço de cana-de-açúcar. 2021. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Biotecnológicos) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2021.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25049porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2021-05-26T06:11:54Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/25049Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2021-05-26T06:11:54Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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