Avaliação da produção de xilanases em cultivo submerso de Talaromyces amestolkiae empregando resíduos agroindustriais

Abstract

Em geral, resíduos agroindustriais podem ser facilmente assimilados por vários microrganismos devido a sua composição, como açúcares. Infelizmente, eles são frequentemente descartados no meio ambiente e, consequentemente, causam diversos impactos. Portanto, como esses materiais são mais baratos e ecologicamente amigáveis, eles podem ser apropriados para uso como matérias-primas na biorrefinaria, incluindo a produção de enzimas hidrolíticas com aplicações industriais. Nesse trabalho, a produção de xilanases pelo fungo filamentoso Talaromyces amestolkiae usando cinco resíduos agroindustriais (farelo de trigo, farelo de arroz, polpa cítrica, pele de amendoim e casca de amendoim) foi estudada. Primeiramente, os resíduos citados foram caracterizados em termos de celulose, xilana, lignina e extrativos. O meio de cultura usando farelo de trigo gerou a maior atividade enzimática (5,4 U.mL-1), provavelmente devido ao alto teor de xilana encontrado nesse subproduto. Em seguida, um planejamento experimental completo foi realizado para avaliar as variáveis independentes extrato de levedura, farelo de trigo, K2HPO4 e pH, visando incrementar a variável resposta, atividade enzimática de xilanase. A maior produção de xilanase foi obtida nos pontos centrais (20 g.L-1 farelo de trigo, 2.5 g.L-1 extrato de levedura, 3 g.L-1 K2HPO4 e pH 7,0): 13,02 U.mL-1, 141% mais alta que a obtida anteriormente. O tempo de cultivo foi estudado usando a melhor condição e, o período entre 120 e 144 h promoveu a maior atividade de xilanase. A enzima foi caracterizada em termos de pH ótimo, temperatura ótima, estabilidade e peso molecular. Os resultados foram: pH ótimo de 4,0, temperatura ótima de 50 a 60°C e peso molecular entre 25 e 35 kDa. Além da produção e caracterização, a enzima foi aplicada para a produção de xilooligossacarídeos, usando xilana comercial e bagaço da cana-de-açúcar como substratos. A enzima foi eficiente para converter a xilana comercial em xilose, xilobiose e xilotriose. Portanto, resíduos agroindustriais com alto teor de xilana podem ser usados como meio de cultura para a produção de xilanases de forma econômica e sustentável e, a enzima produzida nessas condições pode ser aplicada em processos de hidrólise

In general, agro-industrial byproducts can be easily assimilated by various microorganisms due to their composition composed basically of sugars. Unfortunately, these byproducts are often disposed into the environment and consequently, cause several impacts. Therefore, since they are cheaper and eco-friendly materials, they could be appropriate for use as raw materials in the bio-refinery comcept, including the production of hydrolytic enzymes with industrial applicability. In this work, the xylanase production by the filamentous fungi Talaromyces amestolkiae using five agro-industrial byproducts, (wheat bran, rice bran, citrus pulp, peanut skin, and peanut shell) was studied. Firstly, the aforementioned byproducts were characterized in terms of cellulose, xylan, lignin, and extractives. The culture medium using wheat bran generated the highest enzymatic activity (5.4 U.mL-1), probably because of a high amount of xylan available in this by-product. Subsequently, a factorial design was performed evaluating the independent variables yeast extract, wheat bran, K2HPO4, and pH under the variable response, xylanase activity. The highest xylanase production was obtained in the central point (20 g.L-1 wheat bran, 2.5 g.L-1 yeast extract, 3 g.L-1 K2HPO4, and pH 7): 13.02 U.mL-1, 141% higher than the initial one. The cultivation time was studied using the best condition, and the period between 120 and 144 h promoted the highest xylanase activity. Following, the enzyme was characterized in terms of optimum pH, optimum temperature, enzyme stability, and molecular weight. The results were: optimum pH of 4.0, optimum temperature of 50 – 60°C, and molecular weight between 25 and 35 kDa. Besides the production and characterization, the enzyme was applied to xylooligosaccharides production, using commercial xylan and sugar cane bagasse as substrate. The enzyme was effective to convert the commercial xylan into xylose, xylobiose, and xylotriose. Thus, industrial byproducts with a high amount of xylan can be used as a culture medium to produce xylanases enzymes economically and sustainably, and the enzyme produced in those conditions can be applied to the hydrolysis process.