Avaliação da capacidade fermentativa de diferentes leveduras consumidoras de D-xilose do gênero Spathaspora isoladas da Mata Atlântica e da Floresta Amazônica brasileira

Abstract

A crescente demanda por combustíveis renováveis e produtos sustentáveis tem direcionado esforços para o desenvolvimento de alternativas baseadas em biomassa vegetal, como a biomassa de cana-de-açúcar. Contudo, a conversão eficiente de materiais lignocelulósicos em biocombustíveis e bioprodutos apresenta desafios significativos, sobretudo devido à complexidade estrutural desses materiais e à necessidade de microrganismos com alta eficiência fermentativa. Nesse cenário, o gênero Spathaspora se destaca por incluir espécies de leveduras fermentadoras de D-xilose, com grande potencial para a produção de biocombustíveis, como o etanol, e bioprodutos de alto valor, como o xilitol. Portanto, este estudo propôs uma abordagem inovadora ao avaliar, pela primeira vez, a capacidade fermentativa de Spathaspora boniae UFMG-CM-Y306 e Spathaspora brasiliensis UFMG-HMD19.3 em hidrolisado hemicelulósico da biomassa de cana-de-açúcar. Na primeira etapa, os experimentos foram realizados em frascos Erlenmeyer para otimizar quatro fontes de nitrogênio (ureia, extrato de levedura, peptona e sulfato de amônio) na produção de xilitol e etanol. Os resultados indicaram condições específicas para cada levedura. Para S. boniae, sem estoxificação do hidrolisado, os valores experimentais de xilitol foram de 9,74 g/L (YP/S = 0,455 g/g, QP = 0,135 g/Lh) e de etanol 4,71 g/L (YP/S = 0,191 g/g, QP = 0,065 g/Lh). Já para S. brasiliensis, em hidrolisado destoxificado, os valores foram de 10,11 g/L de xilitol (YP/S = 0,473 g/g, QP = 0,140 g/Lh) e 2,60 g/L de etanol (YP/S = 0,121 g/g, QP = 0,036 g/Lh). Na segunda etapa, a produção de xilitol por S. boniae foi otimizada em biorreator utilizando hidrolisado sem destoxificação. Parâmetros como agitação e aeração foram ajustados, resultando em condições ideais de 97 rpm e 1,5 vvm, com valor predito de 13,96 g/L de xilitol. Além disso, a atividade das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH) foi avaliada, revelando que a maior produção de xilitol está associada à elevada atividade de XR (dependente de NADPH) em condições de baixa agitação e aeração. Em contrapartida, maior agitação favoreceu a atividade de XDH (dependente de NAD+), resultando em menor razão XR/XDH e desvio metabólico para a produção de biomassa. O estudo demonstrou que S. boniae apresenta vantagens significativas, incluindo maior produção de xilitol em comparação ao etanol, especialmente sob condições de baixa agitação e aeração. Notavelmente, a capacidade de fermentar hidrolisado hemicelulósico sem destoxificação pode simplificar o processo, reduzir custos e destaca a S. boniae como uma candidata promissora para a produção sustentável de xilitol e outros bioprodutos. A valorização de leveduras nativas, como as de biomas brasileiros, e o reaproveitamento de resíduos agroindustriais reforçam o papel desse estudo na busca por soluções biotecnológicas sustentáveis.

The increasing demand for renewable fuels and sustainable products has driven efforts toward the development of biomass-based alternatives, such as sugarcane biomass. However, the efficient conversion of lignocellulosic materials into biofuels and bioproducts presents significant challenges, primarily due to the structural complexity of these materials and the need for microorganisms with high fermentative efficiency. In this context, the genus Spathaspora stands out for including yeast species capable of fermenting D-xylose, with great potential for the production of biofuels, such as ethanol, and high-value bioproducts, such as xylitol. Therefore, this study proposed an innovative approach by evaluating, for the first time, the fermentative capacity of Spathaspora boniae UFMG-CM-Y306 and Spathaspora brasiliensis UFMG-HMD19.3 in hemicellulosic hydrolysate from sugarcane biomass. In the first phase, experiments were conducted in Erlenmeyer flasks to optimize four nitrogen sources (urea, yeast extract, peptone, and ammonium sulfate) for xylitol and ethanol production. The results indicated specific conditions for each yeast. For S. boniae, using non-detoxified hydrolysate, the experimental values for xylitol were 9.74 g/L (YP/S = 0.455 g/g, QP = 0.135 g/Lh) and for ethanol, 4.71 g/L (YP/S = 0.191 g/g, QP = 0.065 g/Lh). For S. brasiliensis, with detoxified hydrolysate, the values were 10.11 g/L of xylitol (YP/S = 0.473 g/g, QP = 0.140 g/Lh) and 2.60 g/L of ethanol (YP/S = 0.121 g/g, QP = 0.036 g/Lh). In the second phase, xylitol production by S. boniae was optimized in a bioreactor using non-detoxified hydrolysate. Parameters such as agitation and aeration were adjusted, resulting in optimal conditions of 97 rpm and 1.5 vvm, with a predicted value of 13.96 g/L of xylitol. Furthermore, the activities of xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) enzymes were evaluated, revealing that higher xylitol production is associated with elevated XR activity (NADPH-dependent) under low agitation and aeration conditions. Conversely, increased agitation favored XDH activity (NAD+-dependent), leading to a lower XR/XDH ratio and a metabolic shift toward biomass production. The study demonstrated that S. boniae offers significant advantages, including higher xylitol production compared to ethanol, especially under low agitation and aeration conditions. Notably, the ability to ferment hemicellulosic hydrolysate without detoxification can simplify the process, reduce costs, and highlight S. boniae as a promising candidate for the sustainable production of xylitol and other bioproducts. The valorization of native yeasts, such as those from Brazilian biomes, and the reuse of agro-industrial residues underscore the relevance of this study in the pursuit of sustainable biotechnological solutions.