PRODUÇÃO DE POLISSACARÍDEOS docx 1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS PALOTINA
FACULDADE DE TECNOLOGIA EM BIOTECNOLOGIA
PROFª. RAQUEL STRÖHER
Tecnologia de Processos Fermentativos e Enzimologia
RAFAELA LUÍSA KOWALSKI¹
POLISSACARÍDEOS MICROBIANOS
Análise, Produção e Aplicações
¹Graduanda do curso de Tecnologia em Biotecnologia 5º Semestre
ÍNDICE.............................................................................................pág. 2
1 – INTRODUÇÃO.............................................................................pág. 3
2 – POLISSACARÍDEOS MICROBIANOS...........................................pág. 4
2.1 – XANTANA......................................................................pág. 5 
		2.1.1 – COMPOSIÇÃO....................................................pág. 6
		2.1.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO.......................................pág. 7
		2.1.3 – CARACTERÍSTICAS E USOS...............................pág. 8
2.2 – GELANA..........................................................................pág 8
	2.2.1 – COMPOSIÇÃO....................................................pág. 8
	2.1.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO.......................................pág. 9
	2.1.3 – CARACTERÍSTICAS E USOS...............................pág. 9
2.3 – DEXTRANA..................................................................pág. 10
	2.3.1 – ORIGEM, PRODUÇÃO E COMPOSIÇÃO.............pág. 10
	2.3.2 – CARACTERÍSTICAS E USOS.............................pág. 10
2.4 – ALGINATO...................................................................pág. 11
	2.4.1 – COMPOSIÇÃO, ORIGEM E UTILIZAÇÃO...........pág. 11
2.5 – GOMA CURDLANA.......................................................pág. 12
	2.5.1 – COMPOSIÇÃO...................................................pág. 12
	2.5.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO.....................................pág. 12
	2.5.3 – CARATERÍSTICAS E USOS.............................. pág. 12
3 – CONCLUSÃO............................................................................ pág. 14
4 – REFERÊNCIAS..........................................................................pág. 15
1 – INTRODUÇÃO
	Originalmente obtidos a partir de plantas e algas marinhas, as gomas (ou biopolímeros ou polissacarídeos) possuem diversas propriedades com ampla aplicação industrial, como emulsificantes, gelificantes, coagulantes, floculantes, formação de filmes, controle de cristalização, entre outros, ou seja, com uso por exemplo nas indústrias alimentícia, farmacêutica, cosmética, combustíveis e têxtil. 
Quadro 1 – Características e funções dos biopolímeros
	Com o crescimento da demanda e do avanço da biotecnologia, novos processos produtivos surgiram, envolvendo técnicas de fermentação a partir de bactérias gram-positivas e gram-negativas (não patogênicas), microalgas e diversos fungos, eliminando inúmeras variáveis em relação ao método normal (independência climática, redução de espaço e maior rendimento). As gomas tradicionais, de origem vegetal, como a carragena, goma arábica, alginatos, ágar e goma guar são suscetíveis a inúmeras variáveis não controladas e por isso tem uma variabilidade maior em seus níveis de qualidade do que as obtidas por processos biotecnológicos ou microbianos, os chamados biopolímeros, que costumam ter alta regularidade estrutural e por consequência propriedades físico-químicas mais estáveis. 
Figura 1 – Goma carragena, goma arábica e ágar ágar, 
	Entretanto, as gomas microbianas possuem uma desvantagem: seu alto custo de produção (geralmente devido ao substrato usado, que pode ser sacarose, frutose, glicose, amido, entre outros), o que torna essencial que possuam características extras para que sejam comercialmente atrativos, como alta viscosidade, compatibilidade com sais e ampla faixa de pH e temperatura, ação sinérgica com outros polissacarídeos, solubilidade, etc. Entre os polissacarídeos de origem na biossíntese microbiana destacam-se a xantana, gelana, dextrana, o alginato e a curdlana. Os originários de modificações químicas de produtos já existentes destacam-se a pectina, gelatina, carbiximetilcelulose de sódio (GARCIA, CRUZ, 2001).Além desses, é grande a procura por novas espécies microbianas com capacidade industrial de produção de biopolímeros (ASHTAPUTRE, SHAH, 1995).
2 –POLISSACARÍDEOS MICROBIANOS
	Com grande uso na indústria alimentícia devido às suas propriedades espessantes, retenção de água, produção independente do clima e em condições controladas, são fruto de vasta pesquisa em biotecnologia e modificação genética. São preferidas as espécies procariontes, especialmente bactérias gram-negativas não-patogênicas, visando a produção de xantana, dextrana e gelana. Os biopolímeros microbianos são divididos em três grupos principais, intracelulares, integrantes da parede celular e extracelulares. As aplicações industriais buscam as substâncias extracelulares pelas facilidades na extração e purificação das mesmas, bem como maior produtividade agregada – os chamados exopolissacarídeos.
Quadro 2 – classificação dos polissacarídeos de origem bacteriana quanto à região de produção 
	Os polissacarídeos obtidos dessa forma são simples, normalmente compostos por homopolissacarídeos de D-Glicose, ou heteropolissacarídeos compostos de unidades repetidas e alinhadas de dissacarídeos até octassacarídeos (por sua vez compostos de dois a quatro tipos diferentes de monossacarídeos e por vezes grupos acetila e piruvato). Os parâmetros que mais influenciam o processo de biossíntese dos exopolissacarídeos são a bactéria, a composição e o pré-tratamento do meio de cultivo (glicose, sacarose e mais recentemente alternativas como melaço da cana/beterraba, soro de leite, resíduos de soja), o pH e a temperatura da incubação (NAMPOOTHIRI et al, 2003). Fatores secundários como fontes de nitrogênio, oxigênio, fosfato, enxofre, carboidratos, oligoelementos (íons de Na, K, Ca, Mg, Fe) e mesmo enzimas (NADH/NAD+, por exemplo), ausência ou presença de agitação do meio, também influenciam nas quantidades e características do biopolímero obtido, sendo por isso essencial a determinação exata do meio de fermentação.
Quadro 3 – fatores de influência na biossíntese
	2.1 – XANTANA
		2.1.1 - COMPOSIÇÃO
		Atóxica para consumo humano, tem amplo uso especialmente na indústria alimentícia (molhos prontos, sucos, sobremesas). É um poli – β – (1- 4) – D – glucopiranase, assemelhando-se a celulose, mas com ramificações alternadas nas posições C – 3, constituídas por três açúcares.
Figura 2 – unidade básica da xantana
 
		2.1.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO
		Sua produção ocorre em meio aeróbio por submersão, pH neutro, a 28 ºC, com cepas da bactéria Xanthomonas campestris e xarope de glicose como fonte de carbono, derivados de amônia como fonte de nitrogênio sob agitação constante. Após a fermentação (de 48h a 96h) em tanques de aço inoxidável e esterilização/pasteurização, a goma é recuperada por precipitação com etanol (ou sais quaternários e ainda por ultrafiltração), seca e moída.
Figura 3 – Esquematização da produção industrial da xantana
Um exemplo ilustrativo da produção de xantana é descrito a seguir. A produção do biopolímero ocorre em duas fases, utilizando-se meios de cultura diferentes. No primeiro estágio a cepa é inoculada em erlenmeyer de 125mL contendo 6mL de meio. O inóculo é incubado em shaker a 28ºC, 150rpm durante 24h, para aumento da massa celular. Essa massa celular é usada na fase seguinte, que é a fase de síntese da xantana. Na segunda fase, o inóculo é transferido para erlenmeyer de 250mL contendo 45mL de meio de cultura. A produção é realizada a 28ºC, 200rpm, pH livre durante 72h. Após, o caldo fermentado é centrifugado para remoção da massa celular e o biopolímero precipitado pela adição de álcool etílico 96ºGL sendo posteriormente seco a 56ºC até peso constante. Posteriormente o biopolímero é pesado e calculado a produção de cada cepa em g.L-1. O biopolímero de cada cepa é triturado, e preparada uma solução aquosa a 3% (m/v). A determinação da viscosidade aparente é analisada em reômetro rotativo a 25ºC,usando sensor placa-placa, aplicando uma taxa de deformação de 0,01 a 100s-1 por um período de 300s, obtendo-se um total de 50 pontos. As análises são realizadas em triplicata.
2.1.3 – CARACTERÍSTICAS E USOS
Sua estrutura ramificada e alto peso molecular conferem à esse polissacarídeo uma alta viscosidade, alta tolerância à variação térmica e de pH (característica pseudoplástica), capacidades de floculação e estabilização de emulsões, retenção de odores, texturas. Além disso, é usada em fabricação de tintas, pesticidas agrícolas, medicamentos, pastas de dente e desodorantes gel, entre outros.
Quadro 4 – resumo das características da xantana
	2.2 – GELANA
		2.2.1 - COMPOSIÇÃO
	Hidrocolóide de cadeia linear de repetição de unidades de glicose, raminose e ácido glucurônico. patenteado por uma empresa norte-americana, é um gelificante termorreversível apresentado em duas formas: um gel firme e inelástico quebradiço (baixo grau de acetilação) e subvariedades mais elásticas e géis não-quebradiços (alto grau de acetilação), com alta resistência à degradação enzimática (similar ao ágar), derivando daí inúmeras texturas resultantes das misturas dessas formas. 
Figura 4 – unidade básica da gelana
		2.2.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO
	É produzida pela Pseudomonas elodea ATCC 31461 ou Sphingomonas paucimobilis. O processo de obtenção é segredo industrial, mas em linhas gerais segue os mesmos princípios dos processos de fermentação e biossíntese.
	
Quadro 5 – resumo das características da gelana
2.2.3 – CARACTERÍSTICAS E USOS
Sua principal característica é a solubilidade em água fria e a ótima estabilidade em relação ao pH, sais, calor e compatibilidade com outros ingredientes, requerendo baixa concentração para formação de géis frios, sendo por isso usados em larga escala como congelados, geleias e sorvetes.Substitui razoavelmente o ágar por ser pura e translúcida. Alta aplicabilidade em pílulas, cremes, cápsulas, shampoos.
	2.3 – DEXTRANA
		2.3.1 – ORIGEM, COMPOSIÇÃO E PRODUÇÃO
		Obtida a partir da Leuconostoc mesenteroides NRRL B – 512 (F), em uma síntese extracelular na presença de sacarose (que atua como fonte de carbono e energia) e catalisada por uma enzima chamada dextrana-sacarase (α – 1,6 – glucan 6 – α – D – glucosiltransferase, EC 2.4.1.5) que é secretada pela própria célula. Foi o 1º exopolissacarídeo microbiano a ser produzido em escala industrial.
Figura 5 – unidade básica da dextrana
		A reação quebra a sacarose e transfere a glicose para as moléculas de dextrana em expansão, logo, a dextrana é um polímero de glicose, contendo grandes quantidades de ligações α – D – glucopiranosil, principalmente α (1-6), com ramificações encontradas em α (1-2), α (1-3), α (1-4). Ao fim da fermentação, a dextrana é extraída pela precipitação em álcool, após esterilização. Em seguida, secado e moído. 
		2.3.2 – CARACTERÍSTICAS E USOS
		Com alto peso molecular, são amplamente usadas como estabilizantes, agentes de viscosidade, filmes protetores, floculantes e em processos metalúrgicos (estabilizantes). Convém citar também a aplicação como plasma sanguíneo artificial, em soluções de soro fisiológico (DEXTRAN 70) usadas em quadros de choque clínico e hemorragias, e como auxiliar da circulação periférica (DEXTRAN 40).
 Quadro 6 – resumo das características da dextrana
		
	2.4 – ALGINATO
		2.4.1 – COMPOSIÇÃO, ORIGEM E UTILIZAÇÃO
Heteropolissacarídeo chamado ácido algínico é um poliuronídeo de dois ácidos hexurônicos ( acído α-L-glucurônico e beta-D-manurônico) obtido através da Azotobacter vinelandii em meio com alta concentração de oxigênio (meio aeróbio), sais de alginato tem alta aplicabilidade especialmente como gelificantes e espessantes. O uso mais notável é em curativos hidratantes de lesões profundas ou crônicas, como o alginato de cálcio, lítio e de prata, e os sequestrantes ou quelantes de contrastes radioativos como o de sódio. São encontrados naturalmente em algas marrons, solúveis em água e geralmente associados a íons metálicos como Ca, Co, Zn, Li, Ag e Al. 
Figura 6 – alginato de Lítio
Quadro 7 – resumo das características dos alginatos
	2.5 GOMA CURDLANA
		2.5.1 – COMPOSIÇÃO
		Homopolissacarídeo da D-Glucose em beta (1,3).
Figura 7 – unidade básica da curdlana
		2.5.2 – ORIGEM E PRODUÇÃO
		Obtida através da fermentação bacteriana da Alcaligenes faecalis, variedade myxogenes ou agrobacterium radiobacter. 
		2.5.3 – CARACTERÍSTICAS E USOS
		Apresentada em duas formas gelificantes, low set e high set. A forma low é um gel termorreversível originado quando a suspensão aquosa da curdlana é aquecida entre 50 ºC e 60 ºC, então resfriada, tornando-se similar ao ágar e gelatina. Já a forma high é obtida quando a solução é aquecida acima de 80 ºC, criando um gel firme, não termoreversível e muito estável em amplo espectro de temperatura e pH. Por tais razões, é de fácil esterilização e mimetiza a gordura em alimentos, podendo ser incluída como fibra dietética (já que o organismo não a absorve – valor calórico irrelevante) e em diversos medicamentos e aplicações contra agentes patológicos externos (vírus e bactérias).
 Quadro 8 – resumo das características da curdlana
3 – CONCLUSÃO
	Os exopolissacarídeos microbianos estão intrinsecamente associados ao mundo moderno e devido à enorme gama de aplicações, praticamente infinitas e em todas as áreas industriais e comerciais, sua importância no mercado só tende a crescer. Com isso, a importância da biotecnologia também, com a pesquisa de novas cepas e novos métodos ótimos de produção. Cada passo dos processos deve ser analisado, estudado e otimizado para que rendimentos sejam melhorados, e impactos ambientais e custos reduzidos. Identificar as propriedades de uma dada substância de modo a prever suas melhores aplicabilidades e os melhores métodos para que esses objetivos sejam alcançados. 
	Dessa maneira, há quem compare o atual cenário biotecnológico da produção de polissacarídeos como uma “nova corrida do ouro”, em que a qualquer momento uma descoberta pode trazer grandes consequências, tal como foram as descobertas da xantana e da dextrana, que revolucionaram a indústria alimentícia e farmacêutica. A explosão nos últimos anos do número de artigos e patentes relacionadas à cepas microbianas (geneticamente alteradas ou não), métodos de extração e purificação, bem como dos equipamentos destinados à essas operações confirma essa tese. Só de 2001 a 2007 foram 107 patentes (BORSCHIVER et AL, 2008).
	O foco maior tem residido no aumento da eficiência do biopolímero alvo, tornando-o capaz de ativar as características em concentrações cada vez menores. Processos em que as enzimas podem ser revertidas e reaproveitadas e métodos que consumam menor quantidade de substrato. Conforme analisado, devido às inúmeras variáveis envolvidas em todas as etapas, pode se tornar um trabalho árduo e muitas vezes infrutífero, em que aspectos como criatividade, reprocessamento de conceitos e pequenos detalhes podem trazer resultados interessantes e comercialmente viáveis.
4 - REFERÊNCIAS
ASHTAPUTRE, A. A.; SHAH, A. K. Studies on a viscous, gel-forming exopolysaccharide from Sphingomonas paucimobilis GS1. Applied and Environmental Microbiology, Washington, v.61, n.3, p.1159-1162, 1995.
BORSCHIVER, S., ALMEIDA, L. F. M., ROITMAN, T. Monitoramento tecnológico e mercadológico de biopolímeros. Polímeros,  São Carlos ,  v. 18, n. 3, p. 256-261, Set.  2008 .   Disponível em . Acesso em 01/12/2015.  
FARIA, S. Otimização da produção e caracterização de goma xantana empregando caldo de cana. Uberlândia. Setembro de 2009.
GARCIA-CRUZ, C. H. Uso de hidrocolóides em alimentos: revisão. Higiene Alimentar, São Paulo, v.15, n.87, p.19-29,2001.
FOOD & DRUG ADMINISTRATION. Food additives permitted in food for human consumption: xanthan gum. Federal Register, Washington, v.34, n.53, part 121, p.5376, mar. 1969.
LOPES, L.; ANDRADE, C. T. Polímeros de origem microbiana: polissacarídeos bacterianos.Revista de Química Industrial. Rio de Janeiro, v. 703, p. 19-23, 1995.
NAMPOOTHIRI, K. M.; SINGHANIA, R. R.;SABARINATH, C.; PANDEY, A. Fermentative production of gellan using Sphingomonas paucimobilis. Process Biochemistry, London, v.38, p.1513-1519, 2003.
PAIVA, V. M. N.V. Resíduos Agroindustriais para produção de goma xantana. Trabalho de conclusão de curso. UFJF, Faculdade de Farmácia. Juiz de Fora, MG, 2014.
REVISTA ADITIVOS E INGREDIENTES, Os tipos de Gomes e suas aplicações na indútria. São Paulo, v. 116. p. 30-39, Mar. 2015 Ed. Insumos LTDA.
RODRIGUES, R. Dextrana: produção e aplicação industrial. Trabalho de conclusão de curso. UNESP, Instituto de Biociências de Rio Claro. Rio Claro, SP, 2009.
SUTHERLAND I. W. Biotechnology of microbial polysaccharides. UK: Cambridge University Press, 1990. 
CLASSIFICAÇÃO DOS POLISSACARÍDEOS DE ORIGEM MICROBIANA QUANTO À REGIÃO DE PRODUÇÃO
INTRACELULARES (ENDOPOLISSACARÍDEOS)
PAREDE CELULAR 
EXTRACELULARES (EXOPOLISSACARÍDEOS)
FATORES DE INFLUÊNCIA NA BIOSSÍNTESE
TIPO DE BACTÉRIA
COMPOSIÇÃO E PRÉ-TRATAMENTO DO MEIO DE CULTIVO
pH E TEMPERATURA
FONTES DE NITROGÊNIO, OXIGÊNIO, FOSFATO, ENXOFRE, CARBOIDRATOS
ÍONS DE Na, K, Ca, Mg, Fe, 
ENZIMAS
AGITAÇÃO E REPOUSO DO MEIO
XANTANA
Xanthomonas campestris
Xarope de glicose
Derivados de nitrogênio
pH neutro
28 ºC 200 RPM
48h a 96h
Precipitação com etanol
Esterilização
 poli – β – (1- 4) – D – glucopiranase
Tintas
Pesticidas
Medicamentos
Pastas de dente
Desodorantes gel
Molhos prontos
Sucos
Doces e sobremesas
GELANA
Pseudomonas elodea ATCC 31461
Sphingomonas paucimobilis
Segredo industrial
Congelados
Geleias
Sorvetes
Cremes
Alternativa ao ágar
Pílulas
Cápsulas
Shampoos
 1,3 beta-D-glucose ; 1,4 - beta-D-ácido glucurônico; 1,4 beta-D-glucose; 1,4 alfa-L-ramnose 
DEXTRANA
Leuconostoc mesenteroides
Sacarose
Enzima dextrana sacarase
pH 5,2 a 30 ºC
Aeração reduzida
Fosfato
Carbono/Nitrogênio a 50/20
Íon Ca
Polietileno-glicol
 α – D – glucopiranosil, principalmente α (1-6), com ramificações encontradas em α (1-2), α (1-3), α (1-4)
Contraste imagenológico
Solução de revelação fotográfica
Géis colírios e anticoagulantes
Extração de petróleo
Galvanização metálica
Suturas cirúrgicas
Filmes de proteção de sementes
Inibidor de cristalização
Tratamento de feridas
ALGINATOS (Na, Li, Ag, Al) 
Azotobacter vinelandii
Alta concentração de oxigênio
 acído α-L-glucurônico e beta-D-manurônico
Comportamento pseudoplástico
Espessamente e emulsificante lácteo
Iogurtes, bebidas
Coberturas, cremes
Massas e sorvetes
Quelantes (sequestrantes radiotópicos)
Floculantes e 
CURDLANA
Alcaligenes faecalis
Variedade myxogenes
Agrobacterium radiobacter
Aquecimento a 50-60 º C gera a variedade low set (gelatina e ágar)
Aquecimento acima de 80 ºC gera a forma high set (gel firme)
 D-Glucose em beta (1,3).
Fibra dietética
Mimetizante de gordura
Medicamentos
Alternativa ao ágar e gelatina
Amplo uso alimentar
APLICAÇÃO DOS BIOPOLÍMEROS
EMULSIFICANTES
GELIFICANTES
COAGULANTES
FLOCULANTES
CONTROLE DE CRISTALIZAÇÃO
ESPESSANTES
INDÚTRIAS:
ALIMENTÍCIA
FARMACÊUTICA
METALÚRGICA
SAÚDE
COSMÉTICA
TÊXTIL
PAPEL DA BIOTECNOLOGIA E SUBSTITUIÇÃO DOS POLÍMEROS DE ORIGEM VEGETAL
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