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  1. 1. ARTIGOADITIVOS ALIMENTARES PRODUZIDOS POR VIAFERMENTATIVAPARTE I: ÁCIDOS ORGÂNICOS Walter Carvalho*, Resumo Débora D. V. Silva, Larissa Canilha eDiversos ácidos orgânicos podem ser obtidos por fermentação: acético, butírico, cítrico, fumárico, Ismael M. Mancilhaglicônico, itacônico, kójico, lático, málico, propiônico, succínico e tartárico, entre outros. Alguns Faculdade de Engenhariadeles são atualmente produzidos em escala industrial por via fermentativa, como é o caso dos Química de Lorena,ácidos cítrico, acético, lático, glicônico e itacônico (em ordem decrescente de volume de produção Departamento deindustrial). Destes, o ácido itacônico é utilizado principalmente para a síntese de polímeros e Biotecnologiacopolímeros, enquanto os demais são amplamente empregados como aditivos alimentares.Considerando a produção industrial por via fermentativa e o uso como aditivo alimentar, osácidos cítrico, acético, lático e glicônico foram selecionados para uma análise detalhada. * Autor para correspondência: Faculdade de Engenharia Química de Lorena,Palavras-chave ácidos orgânicos, produção industrial, fermentação alavras-chave: Departamento de Biotecnologia Rod. Itajubá-Lorena Km 74,5 Summary Caixa Postal 116 CEP 12600-970. Lorena. SPSeveral organic acids can be obtained by fermentation: acetic, butyric, citric, fumaric, gluconic, Fone: (12) 3159-5027itaconic, kojic, lactic, malic, propionic, succinic and tartaric, among others. Nowadays, some of Fax: (12) 3153-3133them are produced in industrial scale by fermentative processes, as is the case for citric, acetic, E-mail:lactic, gluconic and itaconic acids (in decreasing order of production volume). Among these, carvalho@debiq.faenquil.britaconic acid is used mainly to synthesize polymers and copolymers, while the others are widelyused as food additives. Considering the industrial production by fermentative way and the useas food additive, citric, acetic, lactic and gluconic acids were selected for a detailed analysis.Keywords: organic acids, industrial production, fermentation Introdução Apesar do ser humano se beneficiar da ação de Desde então, importantes desenvolvimentos nas áreas demicrorganismos desde os tempos antigos, principalmente na engenharia, bioquímica e microbiologia (transferência de oxigênio,produção de alimentos e bebidas, foi somente por volta de 1857 ampliação de escala e elaboração de meios de cultura, entre outros)que Louis Pasteur demonstrou o papel destes seres microscópicos têm permitido a implementação de processos fermentativos emnos chamados processos fermentativos. escala industrial para a produção de vários produtos de interesse Até meados da década de 1940, ao fim da II Guerra Mundial, comercial (enzimas, antibióticos, solventes orgânicos, vitaminas eacreditava-se que os processos industriais de fermentação não eram aminoácidos, entre outros). Ao longo destes anos, os rendimentos emuito promissores, pois os produtos que até então podiam ser obtidos produtividades dos processos têm sido continuamente melhorados,por estes processos já eram produzidos em escala industrial por não somente em função do uso de novas configurações deprocessos químicos convencionais, muito mais atraentes do ponto biorreatores, de meios de cultura mais adequados e da seleção dede vista econômico. Devido às necessidades impostas pela II Guerra células mais produtivas, mas também devido aos desenvolvimentosMundial (infecções bacterianas determinando a morte de muitos nas áreas de informática e biologia molecular, que transformarammutilados e feridos), foi neste instante que os conhecimentos da definitivamente o cenário da engenharia bioquímica. Além disso,área de engenharia de processos, oriundos dos processos químicos os desenvolvimentos na área de downstream processing têmtradicionais, entraram em cena para dar subsídios à produção em contribuído para que a produção biotecnológica de insumos comlarga escala de um produto biotecnológico, obtido exclusivamente elevado valor agregado (hormônios e vacinas, entre outros) se tornepor via fermentativa: a penicilina, antibiótico produzido pelo fungo economicamente interessante. Hoje em dia, diversos processosPenicillium chrysogenum. fermentativos são operados em escala industrial, com alta eficiência 70 Revista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18
  2. 2. e baixo custo, para a geração de diversos produtos biotecnológicos cerca de 20 % da produção mundial de ácido cítrico seja obtidade interesse comercial. através de fermentações conduzidas na superfície de meios líquidos Face ao exposto, o presente trabalho analisa aspectos (Brock et al., 1994; Roehr et al., 1996a).relacionados à obtenção de alguns ácidos orgânicos, utilizados como Com relação ao uso de meios sólidos para fermentações emaditivos alimentares, atualmente produzidos em escala industrial superfície, Grewal e Kalra (1995) descrevem o processo Kojipor via fermentativa. Pretende-se, com este trabalho, iniciar uma como uma das técnicas mais simples para a obtenção de ácidosérie de revisões dedicadas à análise de aspectos relacionados à cítrico. Neste processo, resíduos de materiais amiláceos sãoobtenção de aditivos alimentares por via fermentativa. Temas de umedecidos, esterilizados e dispostos em bandejas que, depoisrevisões futuras compreenderão a produção de enzimas, poliálcoois, de serem inoculadas com conídios de Aspergillus niger, sãoaminoácidos e vitaminas, entre outros. cultivadas em câmaras com temperatura e umidade controladas. Apesar deste método não ser empregado em escala industrial (Grewal e Kalra, 1995), muita atenção tem sido dada ao uso deÁcido cítrico resíduos agroindustriais como substratos para a produção de ácido cítrico através de fermentações em estado sólido conduzidas O ácido cítrico é um ácido orgânico de sabor agradável, em escala laboratorial (Pandey et al., 2000).facilmente assimilável pelo organismo humano e de pequena Cerca de 80% da produção mundial de ácido cítrico é obtidatoxicidade. Devido a estas características, é amplamente utilizado empregando-se processos de fermentação submersa (Brock etna indústria alimentícia como acidulante, agente para intensificar al., 1994; Roehr et al., 1996a). Estes processos requerem menoso sabor, antioxidante para inibir o ranço em óleos e gorduras, espaço, menor mão de obra e proporcionam maiores taxas decomo agente tamponante em geléias e gelatinas, e como produção (Grewal e Kalra, 1995). A fermentação é conduzidaestabilizante (Demain, 2000a). em fermentadores aerados do tipo torre ou STR, feitos de aço De acordo com Graham e Lund (1986), o efeito antibacteriano inoxidável para impedir a lixiviação de metais pesados quedo ácido cítrico está associado não somente à sua ação interferem na produção de ácido cítrico (Brock et al., 1994;acidulante, mas também à sua atividade quelante de íons Ca+2, Grewal e Kalra, 1995).conforme demonstrado em estudos com a bactéria proteolítica Embora vários microorganismos (fungos, leveduras eClostridium botulinum. bactérias) possam ser utilizados para a obtenção de ácido cítrico, Com uma produção anual em torno de 400 mil toneladas e o fungo Aspergillus niger é o catalisador de excelência devido àum valor de mercado estimado em 1,4 bilhões de dólares facilidade de manuseio, habilidade para utilizar uma grande(Demain, 2000b), o ácido cítrico é o segundo maior produto variedade de matérias-primas de baixo custo e altos rendimentosbiotecnológico em termos de volume de produção, perdendo (Grewal e Kalra, 1995).apenas para o etanol (Wilke, 1999). Embora o ácido cítrico seja Embora várias matérias-primas possam ser utilizadas comoutilizado também na fabricação de detergentes, medicamentos fontes de carboidratos para a elaboração do meio de fermentação,e cosméticos, os setores de alimentos e bebidas são os elevadas concentrações (120 – 250g/l) de açúcares facilmenteresponsáveis pela utilização da maior parte do ácido cítrico metabolizáveis pelo fungo, como glicose e sacarose, favorecemproduzido (Roehr et al., 1996a). a obtenção de melhores rendimentos e taxas de produção (Roehr O ácido cítrico foi inicialmente produzido em escala comercial et al., 1996a). Além disso, a composição do meio de cultivo emna Itália e Sicília por meio de extração e purificação a partir de termos de elementos-traço é um dos principais fatores que afetamfrutas cítricas. Por muitos anos, a Itália manteve o monopólio da a produção de ácido cítrico. Em particular, as concentrações deprodução de ácido cítrico, praticando preços elevados. Este manganês, ferro, cobre e zinco devem ser controladasmonopólio foi quebrado quando o processo microbiológico rigidamente. Tanto o excesso quanto a ausência destes elementosutilizando o fungo Aspergillus niger foi desenvolvido, resultando no meio de fermentação afetam fortemente o rendimento daem queda acentuada nos preços. Hoje em dia, virtualmente todo fermentação (Yigitoglu, 1992; Demain, 2000b).o ácido cítrico disponibilizado no mercado é produzido por Com relação à suplementação do meio de cultivo, a utilizaçãofermentação (Brock et al., 1994; Roehr et al., 1996a). de sais de amônio (sulfato, nitrato, etc.) é preferida devido ao seu Existem dois tipos de processos empregados para a produção consumo provocar queda no pH do meio, um pré-requisito adicionalde ácido cítrico por via fermentativa: submerso e em superfície. para a obtenção de bons rendimentos e taxas de produção (Yigitoglu,Os processos de fermentação em superfície podem ser ainda 1992). De acordo com Grewal e Kalra (1995), a suplementação dosubdivididos, de acordo com o estado físico do meio de cultura meio de cultivo com pequenas quantidades (1-3%) de álcooisutilizado, em: sólido e líquido. (metanol, etanol) e lipídeos (óleos vegetais, ácidos graxos) também As fermentações conduzidas na superfície de meios líquidos proporciona melhora na produção.representam o método original e mais antigo empregado na produção Com relação à condução da fermentação, dois parâmetrosde ácido cítrico. Apesar do desenvolvimento de métodos mais de cultivo merecem atenção especial: pH e aeração.sofisticados, esta técnica ainda é empregada para a produção de Com relação ao pH, a manutenção de baixos valores (1,7 –ácido cítrico devido à simplicidade de instalação e operação, e aos 2,0) é requerida para a máxima produção de ácido cítrico. Alémbaixos custos energéticos (Grewal e Kalra, 1995). Estima-se que de favorecer o crescimento de possíveis contaminantes, elevadosRevista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18 71
  3. 3. ARTIGOvalores de pH (pH > 2,0) favorecem a produção dos ácidos desenvolvimento de um acetificador altamente eficiente, chamadooxálico e glicônico em detrimento da produção de ácido cítrico Acetator Frings. Este acetificador é utilizado em mais de 50 países(Grewal e Kalra, 1995; Demain, 2000b). (Ebner et al., 1996; Zancanaro Jr., 2001). Com relação à aeração, a produção de ácido cítrico é um processo Hoje em dia, virtualmente todo o vinagre produzido em escalaaeróbio e, de acordo com Grewal e Kalra (1995), os valores críticos industrial é obtido através de cultivos submersos. O modode tensão de oxigênio dissolvido no meio de fermentação situam-se empregado para a condução da fermentação é o semicontínuo.em torno de 9 –10% e de 12 – 13% da saturação com ar para as Ao se completar a acetificação, com uma concentração residualfases de crescimento e produção, respectivamente. de etanol em torno de 0,2%, descarrega-se cerca de 1/3 do Embora o ácido cítrico seja um produto do metabolismo primário, volume do meio fermentado, que segue para processamento final.formado no ciclo dos ácidos tricarboxílicos, a fermentação ocorre O acetificador é novamente carregado com meio não fermentadoem duas fases distintas: Na primeira fase, trofofase, uma parte do até o seu volume de trabalho, reiniciando-se o ciclo (Zancanaroaçúcar presente no meio de fermentação é utilizada para a produção Jr., 2001).de biomassa e a outra parte é convertida em CO2 através de A oxidação de etanol em ácido acético é processada por umarespiração. Na segunda parte, idiofase, o restante do açúcar presente cultura mista de bactérias acéticas. Preferivelmente, emprega-no meio é convertido em ácidos orgânicos com perda mínima através se uma microflora mista de Acetobacter, contendo diferentesde respiração (Brock et al., 1994). espécies e/ou cepas da mesma espécie (Zancanaro Jr., 2001). Entretanto, diferentes cepas de Gluconobacter e Frateuria são normalmente encontradas como constituintes das microflorasÁcido acético utilizadas em plantas industriais de produção de vinagre (Ebner et al., 1996). Embora a classificação de bactérias acéticas seja Embora o ácido acético seja produzido em grandes bastante problemática (Ebner et al., 1996), estima-se que cercaquantidades através de processos petroquímicos e utilizado para de 20 cepas das espécies Acetobacter aceti, A. pasteurianus, A.diversas aplicações (Huang et al., 2002), a presente discussão acidophilum, A. polyoxogenes, A. hansenii e A. liquefascienstrata da produção de vinagre através da fermentação oxidativa sejam as principais responsáveis pelas acetificações submersasde etanol também obtido por fermentação. Estima-se que cerca industriais (Zancanaro Jr., 2001).de 1,9 milhões de litros de vinagre contendo cerca de 10 % de Os vinagres são classificados de acordo com a matéria-primaácido acético (aproximadamente 190.000 toneladas de ácido utilizada para o seu preparo. Por exemplo: O vinagre de álcool éacético) sejam produzidas anualmente através de processos obtido a partir da acetificação de álcool destilado e diluído. Ofermentativos (Ebner et al., 1996). O vinagre assim obtido é vinagre de vinho é obtido a partir da acetificação de vinho deutilizado principalmente como condimento de cozinha ou para a uvas, etc. (Ebner et al., 1996).fabricação de molhos, ketchup e maionese (Ory et al., 2002). Como regra geral, soluções hidroalcoólicas não destiladas A produção de vinagre a partir de soluções hidroalcoólicas é (vinhos de frutas, vinhos de cereais, etc) não requerem a adiçãoconhecida há pelo menos 10 mil anos, quando romanos e gregos de nutrientes para a elaboração da calda antes da acetificação.o obtinham por fermentação espontânea do vinho deixado em Estas soluções já contêm os nutrientes requeridos pelas bactériascontato com o ar (Crueger e Crueger, 1989). Há cerca de 200 acéticas e a fermentação alcoólica prévia também contribui paraanos, teve início o aprimoramento tecnológico da produção de o enriquecimento da calda. Por outro lado, soluçõesvinagre com o advento do processo francês. Através deste hidroalcoólicas preparadas com álcool destilado (etanol, cachaça,processo, o vinagre era lentamente obtido através do cultivo de etc.) requerem a adição de diversos nutrientes (glicose, minerais,bactérias acéticas na superfície de vinho contido em barris, os fosfato de amônio, elementos-traço) para a elaboração da caldaquais eram mantidos em posição horizontal e apresentavam previamente à acetificação (Ebner et al., 1996; Zancanaro Jr.,aberturas laterais para facilitar a passagem de ar (Crueger e 2001). Além disso, se for necessário adicionar água para oCrueger, 1989; Zancanaro Jr., 2001). No século 19, a preparo da calda, esta deve ser potável, de baixa dureza, livrefermentação em superfície foi aprimorada, resultando no processo de sedimentos e isenta de cloro (Zancanaro Jr., 2001).alemão, introduzido em 1832. Utilizando um reator de As bactérias acéticas são aeróbias estritas e a interrupção daescoamento conhecido como vinagreira, a mistura vinho/vinagre aeração durante qualquer fase da fermentação submersa podeera passada continuamente através de um leito contendo provocar sérios danos na produção de vinagre, dependendo dabactérias acéticas imobilizadas em material com elevada área concentração total (etanol + ácido acético) e do tempo de inter-superficial, encontrando ar atmosférico em contracorrente (Ebner rupção da aeração. Quanto maior a interrupção da fermentaçãoet al ., 1996; Zancanaro Jr., 2001). Na década de 50, o e quanto maior a concentração total, maior o efeito prejudicial.desenvolvimento e a implementação do processo de fermentação Por exemplo, em uma concentração total de 5%, uma perda desubmersa ocasionaram uma revolução na produção de vinagre viabilidade celular de 34% ocorre após a interrupção da aeraçãoem escala industrial (Crueger e Crueger, 1989; Ebner et al., por dois minutos, enquanto o mesmo percentual de queda na1996; Zancanaro Jr., 2001). Neste contexto, a fábrica Heinrich viabilidade celular é observado após a interrupção da aeraçãoFrings-Bonn, localizada na Alemanha, desenvolveu um papel por 10 – 20 segundos em uma concentração total de 12%fundamental para o aprimoramento deste processo com o (Crueger e Crueger, 1989; Ebner et al., 1996). 72 Revista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18
  4. 4. ARTIGO Perdas na viabilidade celular também são observadas se a (Demain, 2000b). Cerca de 90% da produção mundial é obtidafermentação é conduzida até a exaustão completa de etanol, e por fermentação, enquanto o restante é obtido sinteticamentese ocorrerem atrasos na adição de calda recém-preparada ao através da hidrólise de lactonitrila (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal,acetificador. De maneira semelhante ao efeito determinado pela 2000). Rendimentos, concentrações e produtividades da ordeminterrupção da aeração, o efeito da exaustão de etanol também de 95%, 100g/l e 2g/lh, respectivamente, são obtidos em escaladepende da concentração total e do tempo (Ebner et al., 1996). industrial (Demain, 2000b). A produção global nos dias atuais éAlém disso, a exaustão de etanol pode determinar a oxidação estimada como sendo em torno de 100 mil toneladas por ano,indesejável do ácido acético formado em CO2 + H2O, dependendo com um valor de mercado da ordem de 150 milhões de dólaresdos microorganismos presentes na microflora mista (Ebner et (Demain, 2000b).al., 1996). A concentração crítica de etanol que determina o As bactérias láticas são os catalisadores preferidos para amomento de corte no processo semicontínuo situa-se em torno produção de ácido lático (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal).de 0,2% (Crueger e Crueger, 1989). Atualmente, estas bactérias são compostas pelos seguintes gêneros de bactérias gram-positivas: Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc,Ácido lático Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Aerococcus, Tetragenococcus, Vagococcus e Weissela (Liu, 2003). O ácido lático é um ácido orgânico não volátil, sem odor e de Em geral, as bactérias láticas são anaeróbias facultativas.sabor suave. Este ácido está presente em muitos alimentos, seja Devido à tolerância ao oxigênio, a exclusão completa destenaturalmente ou como produto de fermentação in situ, e é um elemento durante as fermentações não é um requisito absolutodos principais intermediários do metabolismo em diversos (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal, 2000). A temperatura ótima deorganismos (Datta et al ., 1995). Podendo ser obtido por crescimento varia entre 20 e 45ºC, dependendo dofermentação ou síntese química, o ácido lático tem uma história microrganismo considerado (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal,antiga de uso como acidulante e flavorizante na produção de 2000). Estas bactérias exibem baixa atividade proteolítica ediversos alimentos (Chotani et al., 2000), e como intermediário lipolítica, e apresentam capacidade limitada de biosíntese,na síntese de derivados empregados pelas indústrias alimentícia requerendo a adição de aminoácidos e vitaminas do complexo Be farmacêutica (Liu, 2003). Mais recentemente, este ácido ao meio de cultivo para crescimento (Caplice e Fitzgerald, 1999).passou a ser utilizado também para a polimerização em ácido Incapazes de sintetizar ATP por meio de respiração, aspolilático, um polímero biodegradável (Hofvendahl e Hahn- bactérias láticas obtêm energia através de fosforilação ao nívelHägerdal, 2000). de substrato (Caplice e Fitzgerald, 1999). Dependendo das vias Devido à sua estrutura química, o ácido lático ocorre em metabólicas utilizadas durante o metabolismo de açúcares, aduas formas isoméricas: ácido L (+) lático e ácido D (-) lático. fermentação pode ser homolática (ácido lático obtido como únicoAmbas as formas isoméricas podem ser utilizadas para a síntese produto do metabolismo), heterolática (CO2, etanol e/ou acetatode polímeros com diferentes propriedades (Hofvendahl e Hahn- obtidos como subprodutos do metabolismo, ao lado de ácidoHägerdal, 2000). Por outro lado, sob o ponto de vista nutricional, lático) ou de ácidos mistos (CO2, etanol e/ou acetato, e formatoo uso ou a formação (por fermentação) de ácido D (-) lático em obtidos como subprodutos do metabolismo, ao lado de ácidoalimentos e bebidas é indesejável uma vez que esta forma lático). Além disso, dependendo das condições prevalecentesisomérica não é facilmente metabolizada por mamíferos, incluindo durante o cultivo, o metabolismo de açúcares pelas bactériashumanos (Liu, 2003). Além disso, o consumo excessivo de ácido láticas pode ser alterado, resultando em subprodutos adicionaisD (-) lático pode levar a distúrbios médicos (Liu, 2003) e não é (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal, 2000). Em teoria, bactérias homo-recomendado na alimentação de bebês e crianças (WHO, 1974). fermentativas como Pediococcus, Streptococcus, Lactococcus e Até pouco tempo atrás (início da década de 90), a produção alguns Lactobacillus produzem 2 moles de lactato e 2 moles dede ácido lático em escala comercial era considerada uma ATP por mol de glicose consumida (Chotani et al., 2000).tecnologia madura, com uma produção global média em torno A proporção entre os isômeros, L (+) e D (-), obtidos durantede 40 mil toneladas por ano (Datta et al., 1995). Até então, a fermentação varia com o gênero e, dentro de um mesmo gênero,tanto a fermentação quanto a síntese química eram igualmente com a espécie do microorganismo. Ácido L (+) lático é produzidoutilizadas em escala industrial (Datta et al., 1995). De acordo por Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Lactococcus,com Wilke (1995), o ácido L (+) lático obtido por fermentação Tetragenococcus, Streptococcus, e Vagococcus. Ácido D (-) láticoera destinado principalmente para o uso como acidulante em é produzido por Leuconostoc e Oenococcus. Microorganismosalimentos processados. Por outro lado, o ácido lático obtido por dos gêneros Lactobacillus, Pediococcus e Weissella produzemsíntese química era utilizado principalmente para a produção de ambas as formas isoméricas, isolada ou conjuntamente,derivados devido à maior pureza química, apesar de sua natureza dependendo da espécie considerada e das condições de cultivoracêmica. (Liu, 2003) O emprego de síntese química para a produção de ácido lático Por outro lado, o pH do meio de fermentação também podeem escala industrial foi largamente substituído pelo processo afetar o padrão de fermentação exibido pelas bactérias láticas,fermentativo, baseado no cultivo anaeróbio de Lactobacillus dependendo da espécie considerada. Por exemplo: Lactobacillus 74 Revista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18
  5. 5. bulgaricus é homofermentativo em pH ácido, porém se torna na produção de concreto. Cerca de 80% da produção mundial éheterofermentativo em pH alcalino. Além disso, as bactérias comercializada como gliconato de sódio (Roehr et al., 1996b).láticas podem desviar o fluxo do metabolismo de açúcares em Existem diferentes processos químicos para a obtenção dedireção à formação de exopolissacarídeos como resposta a ácido glicônico, compreendendo a oxidação de glicose por meiosvariações no pH do meio (Liu, 2003). químicos, eletroquímicos ou catalíticos. A principal desvantagem A escolha do microorganismo a ser utilizado para a produção destes processos refere-se aos baixos rendimentos, ocasionadosde ácido lático depende grandemente do substrato utilizado para pela formação inevitável de subprodutos indesejáveis. Devido ao preparo do meio de fermentação. Por exemplo: Lactobacillus isto, a especificidade da reação bioquímica proporcionada pelodelbrueckii é o catalisador preferido quando glicose ou sacarose uso de biocatalisadores faz da fermentação a via de excelênciasão utilizadas como substrato. Por outro lado, Lactobacillus para a produção de ácido glicônico em escala industrial (Roehrbulgaricus é o catalisador preferido quando lactose é utilizada et al., 1996b; Bao et al., 2001). A produção global nos diascomo substrato. Enquanto o primeiro não é capaz de utilizar atuais é estimada como sendo em torno de 40.000 toneladaslactose como fonte de carbono e energia, o segundo não consegue por ano, com um valor de mercado da ordem de 93 milhões deassimilar sacarose (Kascak et al., 1996). Vários substratos têm dólares (Demain, 2000b).sido utilizados para a obtenção de ácido lático em escala Apesar de vários microorganismos (especialmente fungoslaboratorial. Um produto com maior grau de pureza é obtido filamentosos e bactérias oxidativas) serem capazes de oxidarquando se utiliza um açúcar puro para se preparar o meio de glicose em ácido glicônico, o fungo Aspergillus niger é ofermentação, o que resulta em menores custos de purificação. catalisador utilizado na maior parte dos processos operados emEntretanto, o uso de resíduos agroindustriais (soro de queijo, escala industrial (Roehr et al., 1996b).melaços, amido e materiais lignocelulósicos) para o preparo do A conversão de glicose em ácido glicônico por Aspergillusmeio de fermentação é preferido para aplicações em escala niger é bastante direta. O passo inicial consiste na oxidação deindustrial devido ao baixo valor de mercado do ácido lático glicose em ä-gliconolactona, catalisada pela flavoproteína glicose(Hofvendahl e Hahn-Hägerdal, 2000). oxidase com redução simultânea de O 2 em H 2 O 2 . A ä- Com relação à fermentação, o parâmetro mais importante gliconolactona formada é posteriormente hidrolisada, pela açãopara o cultivo de bactérias láticas é o pH do meio de fermentação. da enzima lactonase ou espontaneamente, em ácido glicônico.Para a ótima produção de ácido lático, o pH deve ser mantido O H2O2 formado é re-convertido em O2 pela ação de catalasesentre 5,5 e 6,0 (Kascak et al., 1996). O controle do pH pela (Roehr et al. 1996b). Estudos realizados por Witteveen et al.adição de álcalis (carbonato de cálcio, hidróxido de amônio) ao (1992) demonstraram que tanto a glicose oxidase quantomeio é tradicionalmente empregado. Por outro lado, a remoção diferentes catalases são enzimas constitutivas presentes nasimultânea do ácido à medida que é produzido, por meio de parede celular do fungo Aspergillus niger.técnicas de extração, adsorção ou eletrodiálise, também vem O controle do pH durante a produção de ácido glicônico ésendo estudada (Hofvendahl e Hähn-Hagerdal, 2000). muito importante, sendo feito pela adição de álcalis ao meio durante a fermentação. Dependendo da base adicionada para o controle do pH durante a fermentação, pode-se obter gliconatoÁcido glicônico de cálcio (adição de carbonato de cálcio para controle do pH) ou gliconato de sódio (adição de hidróxido de sódio para controle O ácido glicônico é um ácido orgânico que apresenta pequenas do pH). Devido à maior demanda, a produção de gliconato detoxicidade e ação cáustica, sendo capaz de formar complexos sódio é a mais utilizada (Roehr et al., 1996b).solúveis com íons metálicos divalentes e trivalentes em soluções Excetuando-se a base utilizada para o controle de pH, osaquosas. Devido a estas características, é amplamente utilizado processos de produção de gliconato de cálcio e de gliconato dena indústria de laticínios e na fabricação de bebidas, para prevenir sódio são bastante semelhantes. Em ambos os casos,a formação de precipitados indesejáveis, e na produção de fermentadores convencionais de mistura ou tipo torre sãodiversos alimentos, para realçar o sabor e complexar traços de utilizados para a produção através de cultivo submerso (Roehrmetais pesados (Roehr et al., 1996b). A ä – gliconolactona, et al., 1996b). Devido ao elevado valor de Km da enzima comintermediário formado durante a oxidação de glicose em ácido relação ao oxigênio e à glicose, tanto a tensão de oxigênioglicônico, também pode ser utilizada em substituição a este ácido, dissolvido quanto a concentração de glicose são parâmetros-sendo preferida quando uma ação acidulante lenta é desejada chave na cinética de formação de gliconato (Reuss et al., 1986).(aditivos para panificação, produção de embutidos, coagulação Desta forma, elevadas concentrações de glicose (130 – 150g/lde proteína de soja para produção de tofu, etc.) (Roehr et al., na produção de gliconato de cálcio, e 240 – 380g/l na produção1996b). O principal produto comercializado, entretanto, é o sal de gliconato de sódio) e aeração vigorosa (1 – 1,5vvm) do meiosódico de ácido glicônico, que pode formar complexos com íons de fermentação devem ser empregadas (Crueger e Crueger, 1989;metálicos em soluções alcalinas. Este sal é utilizado para remover Roehr et al., 1996b). O pH do meio de fermentação deve seróxidos de metais pesados formados em superfícies metálicas, mantido em um valor superior a 3,5 (5,5 na produção de gliconatopara remover tintas e vernizes de vários objetos, em soluções de cálcio, e 6,5 na produção de gliconato de sódio), para evitaralcalinas próprias para lavagem de vasilhames, e como aditivo a inativação da glicose oxidase (Roehr et al., 1996b). Além disso,Revista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18 75
  6. 6. ARTIGOo meio de fermentação deve ser limitante em termos de nitrogênio Agradecimentose fósforo, além de apresentar concentrações suficientes deelementos-traço (Roehr et al., 1996b). Em ambos os processos, Os autores agradecem o apoio financeiro recebido da FAPESP,rendimentos em torno de 90 – 95% são obtidos em escala da CAPES e do CNPq para o desenvolvimento de projetos deindustrial (Crueger e Crueger, 1989). pesquisa. Referências 1. Bao J, Furumoto K, Fukunaga K, Nakao K. A kinetic study 15.Liu SQ. Practical implications of lactate and pyruvate on air oxidation of glucose catalyzed by immobilized glucose metabolism by lactic acid bacteria in food and beverage oxidase for production of calcium gluconate. Biochemical fermentations. International Journal of Food Microbiology. Food Engineering Journal. 8, 91-102, 2001. 83, 115-131, 2003. 2. Brock TD, Madigan MT, Martinko JM, Parker J. Biology of 16.Ory I, Romero LE, Cantero D. Optimum starting-up protocol Microorganisms. Prentice-Hall International, New Jersey, of a pilot plant scale acetifier for vinegar production. Journal 7th ed., 385-386, 1994. Food of Food Engineering. 52, 31-37. 3. Caplice E, Fitzgerald GF. Food fermentations: role of 17.Pandey A, Soccol CR, Nigam P Soccol VT, Vandenberghe , microorganisms in food production and preservation. LPS, Mohan R. Biotechnological potential of agro-industrial Food International Journal of Food Microbiology. 50, 131-149, residues: cassava bagasse. Bioresource Technology. 74, Technology 1999. 81-87. 4. Chotani G, Dodge T, Hsu A, Kumar M, LaDuca R, Trimbur 18.Reuss M, Frohlich S, Kramer B, Messerschmidt K, D, Weyler W, Sanford K. The commercial production of Pommerening G. Coupling of microbial kinetics and oxygen chemicals using pathway engineering . Biochimica et transfer for analysis and optimization of gluconic acid Biophysica Acta. 1543, 434-455, 2000. production by Aspergillus niger. Bioprocess Engineering. Biotechnology: Textbook 5. Crueger W, Crueger A. Biotechnology: A Textbook of 1, 79-91, 1986. Industrial Microbiology. Science Tech Publishers, Madison, 19.Roehr M. Products of primary metabolism. In: Rehm HJ, 2nd ed., 134-149, 1989. Reed G. Biotechnology. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 6. Datta R, Tsai SP Bonsignore P Moon SH, Frank JR. , , Weinheim, 2nd ed., vol. 6, 294-401, 1996. Technologic and economic potential of poly(lactic acid) and 20.Roehr M, Kubicek C.P Kominek J.. Citric acid. In: Rehm ., lactic acid derivatives. FEMS Microbiology Reviews. 16, Reviews H.J., Reed G. Biotechnology. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 221-231, 1995. Weinheim, 2nd ed., 308-345, 1996a. 7. Demain AL. Microbial technology. Trends in Biotechnology. 21.Roehr M, Kubicek CP Kominek J. Gluconic acid. In: Rehm , 18, 26-31, 2000a. HJ, Reed G. Biotechnology. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 8. Demain AL. Small bugs, big business: the economic power Weinheim, 2nd ed., 308-345, 1996b. of the microbe. Biotechnology Advances. 18, 499-514, 22.Yigitoglu M. Production of citric acid by fungi. Journal of 2000b. Islamic Academy of Sciences. 5, 100-106, 1992. 9. Ebner H, Sellmer S, Follmann H. Acetic Acid. In: Rehm 23.WHO. Toxicological evaluation of some food additives H.J., Reed G. Biotechnology. VCH Verlagsgesellschaft mbH, including anticaking agents, antimicrobials, antioxidants, Weinheim, 2nd ed., 381-401, 1996. emulsifiers, and thickening agents. WHO Food Additives Food 10.Graham AF, Lund BM. The effect of citric acido on growth series, 5, 461-465, 1994. of proteolytic strains of Clostridium botulinum. Journal of 24.Wilke D. What should and what can biotechnology Applied Bacteriology. 61, 39-49, 1986. contribute to chemical bulk production? FEMS Microbiology 11.Grewal HS, Kalra KL. Fungal production of citric acid. Reviews. 16, 89-100, 1995. Biotechnology Advances. 13, 209-234, 1995. 25.Wilke D. Chemicals from biotechnology: molecular plant 12.Hofvendahl K, Hahn-Hägerdal B. Factors affecting the genetics will challenge the chemical and the fermentation fermentative lactic acid production from renewable industry. Applied Microbiology and Biotechnology. 52, 135- resources. Enzyme and Microbial Technology. 26, 87-107, Technology 145, 1999. 2000. 26.Witteveen CFB, Veenhuis M, Visser J. Location of glucose 13.Huang YL, Wu Z, Zhang L, Cheung CM, Yang ST. Production oxidase and catalase activities in Aspergillus niger. Applied of carboxylic acids from hydrolyzed corn meal by and Environmental Microbiology. 58, 1190-1194, 1992. immobilized cell fermentation in a fibrous-bed bioreactor. 27.Zancanaro Jr O. Vinagres. In: Aquarone E., Borzani W., Technology Bioresource Technology. 82, 51-59, 2002. Schmidell W., Lima U.A. Biotecnologia Industrial. Editora 14.Kascak JS, Kominek J, Roehr M. Lactic acid. In: Rehm Edgard Blücher Ltda. 1st ed., vol. 4, 183-208, 2001. HJ, Reed G. Biotechnology. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 2nd ed., 293-306, 1996. 76 Revista Analytica•Agosto/Setembro 2005•Nº18

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