RESSALVA Atendendo solicitação da autora, o texto completo desta dissertação será disponibilizado somente a partir de 25/01/2021. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA LARISSA APARECIDA GONÇALVES PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE AMILASE SECRETADA POR Rhizoctonia solani AG-1 IA Ilha Solteira 2019 Campus de Ilha Solteira LARISSA APARECIDA GONÇALVES PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE AMILASE SECRETADA POR Rhizoctonia solani AG-1 IA Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia, Campus de Ilha Solteira – UNESP como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Agronomia. Especialidade: Sistemas de Produção. Prof. Dr. Paulo Cezar Ceresini Orientador Profª. Drª. Heloiza Ferreira Alves do Prado Co-orientadora Ilha Solteira 2019 Gonçalves Produção e caracterização de amilase secretada por Rhizoctonia solani AG-1 IAIlha Solteira2019 51 Sim Dissertação (mestrado)Engenharia AgronômicaSistemas de ProduçãoNão . . FICHA CATALOGRÁFICA Desenvolvido pelo Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação Gonçalves, Larissa Aparecida. Produção e caracterização de amilase secretada por Rhizoctonia solani AG-1 IA / Larissa Aparecida Gonçalves. -- Ilha Solteira: [s.n.], 2019 51 f. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia. Área de conhecimento: Sistemas de Produção, 2019 Orientador: Paulo Cezar Ceresini Co-orientador: Heloiza Ferreira Alves do Prado Inclui bibliografia 1. Amilases. 2. Rhizoctonia solani. 3. Cultivo em estado sólido. 4. Resíduos agroindustriais. 5. Composição bromatológica. G635p UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Clmpua de IIha Soltelra CERTIFICADO DE APROVAC;;Ao Titulo: Produ~ao e caracterizacao de amilase secretada por Rhizoctonia solani AG-lIA AUTORA: LARISSA APARECIDA GONCALVES ORIENTADOR : PAULO CEZAR CERESINI COORIENTADORA: HELOIZA FERREIRA ALVE S DO PRADO Aprovada como parte das exi qencias para obtencao do Titulo de Mestra em AGRONOM IA, area : Sistemas de Producao pela Comissao Examinadora : If" l . . J . I v' LA).5-.... 0C J....\..\.M...\"\.e- Profa. Dra, HELOIZA FERREIRA ALVES DO PRADO Departamento de Fitotecnia, Tecnologia de Alimentos e socio Economia I Faculdade de Engenharia de IIha Solteira n2~~ ~- e Prof. Dr. RENATO GRIL Departamento de Hsica Quimica I Faculdade de Engenharia de IIha Solteira eJ-u.~~~~ Prof. Dr ~ ~DRIGO SIMOES RIBEIRO LEITE Faculdade de Clencias Biol6gicas e Ambientais I Universidade Federal da Grande Dourados IIha Solteira, 25 de janeiro de 2019. Faculdade de Engenharia · Cempus de Ilha Sotteira ­ Av. Brasil Centro, 56. 15385000 . llha scneee • SAo Paulo www.leis .unes p.brl#!/ppga CNPJ . 48.03 1.91810015-20 AGRADECIMENTOS A Deus, por todos os dias me envolver em sua presença, renovar as minhas forças e tornar possíveis os sonhos que são inatingíveis por mim. Aos meus pais, Maria Aldeniz e José Antônio, que me criaram com todo amor, se empenharam em cada uma das minhas conquistas e intercederam por mim em orações para que tudo desse certo. Vocês são os meus melhores amigos! Sem a ajuda de vocês, certamente eu não teria chegado até aqui. Aos meus queridos irmãos Josmar (in memorian) e Dimas, minha cunhada Tatiana, minha sobrinha Yasmin e minha tia Maria José, que sempre demonstraram preocupação e amor por mim, me incentivaram e vibraram com cada conquista. A Profª. Drª. Heloiza Ferreira Alves do Prado, com quem tive o privilégio de conviver. Obrigada pela contribuição em todos os momentos, pela amizade e confiança, e principalmente, pela sua paciência e disposição em ajudar-me. Ao Prof. Dr. Paulo Cezar Ceresini, por colocar-se à disposição para auxiliar-me no que fosse necessário, pelo esclarecimento de dúvidas e apoio ao desenvolvimento deste trabalho. Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Agronomia da UNESP, Campus de Ilha Solteira, pela amizade, dedicação e contribuição à minha formação acadêmica. Aos funcionários da UNESP, Campus de Ilha Solteira, pela dedicação, paciência, e suporte dado nas diferentes etapas do desenvolvimento deste trabalho. Aos amigos da faculdade, colegas do laboratório e da vida, pelos agradáveis momentos de convivência, incentivos, conselhos, e por toda ajuda e solidariedade. Aos professores membro das bancas de Qualificação, Prof. Dr. Marco Eustáquio de Sá e Profª. Drª. Ana Maria Rodrigues Cassiolato, e de Defesa do mestrado, que disponibilizaram parte do seu tempo para fazer sugestões e críticas, contribuindo para melhoria deste trabalho. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001, a qual agradeço. Muito obrigada! “Aqueles que saíram chorando, levando a semente para semear, voltarão cantando, cheios de alegria, trazendo nos braços os feixes da colheita.” Salmo 126,6 RESUMO Rhizoctonia solani AG-1 IA é um patógeno habitante do solo que causa doenças em pastagens e plantas cultivadas, em vários estados brasileiros. Para penetrar e colonizar os tecidos do hospedeiro, o microrganismo utiliza enzimas que podem ser de interesse biotecnológico e industrial. O objetivo do presente trabalho foi produzir e caracterizar a α-amilase secretada por R. solani AG-1 IA utilizando produtos e resíduos agroindustriais como substratos para fermentação. Para todos os ensaios foi adotado o processo de cultivo em estado sólio (CES) à temperatura de 25 °C e umidade inicial de 60%. Inicialmente, nove isolados de R. solani provenientes de diferentes hospedeiros (arroz, braquiária e soja) foram comparados quanto à produção amilolítica. As maiores atividades enzimáticas foram proporcionadas pelos isolados TO_022 e MT_SO85, procedentes da cultura da soja. Na etapa seguinte, foi avaliado o efeito do substrato sobre a produção enzimática. Farelo de trigo (12,98 U mL-1; TO_022), farelo de soja (3,97 U mL-1; MT_SO85) e braquiária lavada (4,95 U mL-1; TO_022) induziram eficientemente a produção amilolítica. O perfil de produção enzimática no farelo de trigo, melhor substrato avaliado no cultivo, indicou o tempo de 216 h como o mais apropriado para a obtenção de α-amilases pelo isolado TO_022 (22,14 U mL-1), e 240 h para o isolado MT_SO85 (22,84 U mL-1). Para caracterização físico-química da enzima foi utilizado o extrato enzimático bruto do isolado TO_022. A α-amilase de R. solani TO_022 exibiu máxima atividade a 55 °C e pH 5,5, e manteve atividade (em torno de 80%) quando incubada à 25 °C, pelo período de 24 h, em pH 4,5 a 7,0. A enzima também é estável quando incubada pelo período de 1 h, em temperaturas de até 45 °C. Palavras-chave: Amilases. Rhizoctonia solani. Cultivo em estado sólido. Resíduos agroindustriais. Composição bromatológica. ABSTRACT Rhizoctonia solani AG-1 IA is a soil-borne pathogen that causes diseases in pastures and cultivated plants in several Brazilian states. To penetrate and colonize host tissues, the microorganism uses enzymes that may be of biotechnological and industrial interest. The aim of the present work was to produce and characterize the α-amylase secreted by R. solani AG-1 IA using agroindustrial products and residues as substrates for fermentation. For all the tests, the solid state cultivation process (SSC) at 25 °C and initial humidity of 60% was adopted. Initially, nine isolates of R. solani from different hosts (rice, Brachiaria grass and soybean) were compared for amylolytic production. The major enzymatic activities were provided by the isolates TO_022 and MT_SO85, from the soybean crop. In the next step, the effect of the substrate on the enzymatic production was evaluated. Wheat bran (12.98 U mL-1; TO_022), soybean meal (3.97 U mL-1, MT_SO85) and washed ruzigrass (4.95 U mL-1; TO_022) efficiently induced amylolytic production. The enzymatic production profile in wheat bran, the best substrate evaluated in the culture, indicated the time of 216 h as the most appropriate to obtain α-amylases by the TO_022 isolate (22.14 U mL-1), and 240 h for the isolated MT_SO85 (22.84 U mL-1). For the physicochemical characterization of the enzyme, the crude enzymatic extract of the TO_022 isolate was used. The α-amylase of R. solani TO_022 exhibited maximum activity at 55 °C and pH 5.5, and maintained activity (around 80%) when incubated at 25 °C for 24 h at pH 4.5 to 7.0. The enzyme is also stable when incubated for 1 h at temperatures up to 45 °C. Keywords: Amylases. Rhizoctonia solani. Solid state cultivation. Agroindustrial waste. Bromatological composition. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Desenho estrutural das (a) unidades de glicose, (b) amilose e (c) amilopectina ................................................................................ 14 Figura 2 - Representação esquemática da ação das enzimas envolvidas na degradação do amido. (●) molécula glicose com extremidade redutora; (○) molécula de glicose sem extremidade redutora; (→) indicam o ponto de clivagem preferido na molécula de amido .... 17 Figura 3 - Aspecto dos substratos utilizados na fermentação ...................... 25 Figura 4 - Perfil de produção enzimática dos isolados RRA37, RRA30 e RRA33 de Rhizoctonia solani AG-1 IA, provenientes da cultura do arroz, e cultivados em farelo de trigo lavado, a 25 °C. (a) atividade amilolítica, (b) atividade específica, (c) açúcar redutor e (d) proteína total ....................................................................... 30 Figura 5 - Perfil de produção enzimática dos isolados PAB1B6, ROB2E1 e ROD2D5 de Rhizoctonia solani AG-1 IA, provenientes da cultura da braquiária, e cultivados em farelo de trigo lavado, a 25 °C. (a) atividade amilolítica, (b) atividade específica, (c) açúcar redutor e (d) proteína total ....................................................................... 31 Figura 6 - Perfil de produção enzimática dos isolados TO_022, TO_064 e MT_SO85 de Rhizoctonia solani AG-1 IA, provenientes da cultura da soja, e cultivados em farelo de trigo lavado, a 25 °C. (a) atividade amilolítica, (b) atividade específica, (c) açúcar redutor e (d) proteína total ........................................................... 32 Figura 7 - Colonização dos substratos pelo isolado TO_022, após 96 h de cultivo em estado sólido .............................................................. 34 Figura 8 - Colonização dos substratos pelo isolado MT_SO85, após 96 h de cultivo em estado sólido ......................................................... 35 Figura 9 - Atividade amilolítica e açúcar redutor total para Rhizoctonia solani AG-1 IA TO_022 e MT_SO85, após 96 h de cultivo em estado sólido, a 25 °C, em diferentes substratos ........................ 38 Figura 10 - Perfil de produção enzimática, atividade específica, açúcar redutor e proteína total dos isolados TO_022 e MT_SO85 de Rhizoctonia solani AG-1 IA, cultivados em farelo de trigo e braquiária lavada, a 25 °C ........................................................... 40 Figura 11 - (a) pH ótimo e (b) temperatura ótima da α-amilase de Rhizoctonia solani AG-1 IA, isolado TO_022 ............................... 41 Figura 12 - Efeito do pH sobre a estabilidade da α-amilase de Rhizoctonia solani AG-1 IA TO_022. Tampão McIlvaine pH 3,0 a 8,0 e tampão glicina-NaOH pH 8,5 a 10,0 ............................................ 42 Figura 13 - Efeito da temperatura sobre a estabilidade da α-amilase de Rhizoctonia solani AG-1 IA TO_022 ............................................ 43 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Dados de georreferenciamento dos isolados de Rhizoctonia solani AG-1 IA ........................................................................... 24 Tabela 2 - Proteína, atividade específica e atividade de α-amilase dos isolados TO_022 e MT_SO85 de Rhizoctonia solani AG-1 IA, provenientes do hospedeiro soja, e cultivados sob fermentação sólida por 96 h a 25 °C .............................................................. 33 Tabela 3 - Caracterização bromatológica dos substratos ........................... 36 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................... 12 2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................. 14 2.1 AMIDO: ESTRUTURA E APLICAÇÃO............................................... 14 2.2 ENZIMAS DEGRADADORAS DO AMIDO ......................................... 16 2.3 APLICAÇÃO DAS ENZIMAS AMILOLÍTICAS .................................... 17 2.4 PROCESSOS FERMENTATIVOS PARA OBTENÇÃO DE AMILASES MICROBIANAS ............................................................... 19 2.5 POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE FUNGOS FITOPATOGÊNICOS......................................................................... 20 2.6 RHIZOCTONIA SOLANI AG-1 IA ...................................................... 21 3 OBJETIVOS ...................................................................................... 23 3.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................ 23 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 23 4 MATERIAL E MÉTODOS .................................................................. 24 4.1 MICRORGANISMOS E PREPARO DO INÓCULO ............................ 24 4.2 PREPARO DOS SUBSTRATOS ....................................................... 25 4.3 ANÁLISE BROMATOLÓGICA DOS SUBSTRATOS ......................... 26 4.4 CULTIVO EM ESTADO SÓLIDO (CES) ............................................ 26 4.5 EXTRAÇÃO ENZIMÁTICA ................................................................. 26 4.6 DETERMINAÇÃO DA ATIVIDADE AMILOLÍTICA E ESPECÍFICA ... 26 4.7 DETERMINAÇÃO DE AÇÚCARES REDUTORES TOTAIS .............. 27 4.8 DETERMINAÇÃO DE PROTEÍNAS .................................................. 27 4.9 PERFIL DE PRODUÇÃO ENZIMÁTICA E EFEITO DO SUBSTRATO ..................................................................................... 28 4.10 CARACTERIZAÇÃO DA ENZIMA ..................................................... 28 4.10.1 Temperatura ótima e de estabilidade ............................................. 28 4.10.2 pH ótimo e de estabilidade .............................................................. 29 4.11 ANÁLISE ESTATÍSTICA .................................................................... 29 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................... 30 5.1 PERFIL DE PRODUÇÃO ENZIMÁTICA NO FARELO DE TRIGO LAVADO ............................................................................................ 30 5.2 EFEITO DO SUBSTRATO SOBRE A PRODUÇÃO DE AMILASE .... 32 5.2.1 Composição bromatológica do substrato x atividade amilolítica ........................................................................................................... 36 5.2.2 Inibidores do crescimento microbiano e repressão catabólica do carbono ....................................................................................... 37 5.3 PERFIL DE PRODUÇÃO ENZIMÁTICA NO FARELO DE TRIGO E BRAQUIÁRIA LAVADA ...................................................................... 39 5.4 CARACTERIZAÇÃO DA ENZIMA ..................................................... 41 5.4.1 Temperatura e pH ótimos ................................................................ 41 5.4.2 Estabilidade ao pH ........................................................................... 42 5.4.3 Estabilidade térmica ........................................................................ 42 6 CONCLUSÕES .................................................................................. 44 REFERÊNCIAS ................................................................................. 45 12 1 INTRODUÇÃO O amido, principal carboidrato de reserva das plantas, é constituído por uma mistura de polímeros de α-glicose unidos por ligações glicosídicas, a amilose e a amilopectina. Milho, trigo, arroz, batata e mandioca são exemplos de matérias-primas amiláceas, plantas que encerram o amido como principal componente, e servem de alimento para seres humanos e outros animais, além de serem utilizadas para a extração econômica desse carboidrato (DAMODARAN et al., 2010; LIMA, 2010) A obtenção de hidrolisados do amido por conversão enzimática amplia seu leque de aplicações na indústria. Enzimas capazes de quebrar as ligações α-1,4 e α-1,6 da amilose e amilopectina, permitem a formação de compostos de baixa massa molecular, como glicose, maltose e dextrinas, utilizados em indústrias de alimentos (bebidas, panificação, confeitaria, sorvetes, etc) e de álcool combustível (DAMODARAN et al., 2010; POLIZELI; SILVA, 2016). As amilases também têm ampla aplicação em setores não relacionados a indústria alimentícia, como no acabamento de papéis e tecidos, atuando no processo de desengomagem que sucede a aplicação de pastas de amido, e na fabricação de detergentes (POLIZELI; SILVA, 2016). As enzimas amilolíticas estão entre as mais importantes comercialmente produzidas e perfazem 25 a 33% do mercado internacional de enzimas (OLIVEIRA et al., 2015). As enzimas utilizadas na indústria, não só para a despolimerização do amido, como também de outros carboidratos complexos como a celulose e xilana, usualmente são obtidas a partir de microrganismos como fungos e bactérias (BON et al., 2008; LEE et al., 2015). Para produção dessas enzimas, em geral, emprega-se os métodos de cultivo submerso (CSm) e cultivo em estado sólido (CES), este último, mais utilizado para o cultivo de fungos filamentosos graças às semelhanças com seu ambiente natural (ONOFRE et al., 2016). A produção industrial de enzimas é frequentemente limitada pelos custos dos meios para cultivo, cerca de 40% do investimento requerido corresponde a fonte de carbono (OLIVEIRA et al., 2015). Assim, a utilização de produtos, subprodutos e resíduos agrícolas, de baixo custo e fácil obtenção, tem sido sugerida como uma alternativa para reduzir os custos da produção enzimática (MAHMOOD et al., 2018; PEREIRA et al., 2017). Farelo de trigo, resíduos da mandioca e da banana, são alguns 13 exemplos de substratos empregados para a produção de α-amilases (MAHMOOD et al., 2018; RAVINDRAN et al., 2018). As características do material vegetal empregado no cultivo microbiano, como o teor de amido, celulose, lignina, lipídeos e proteínas, influenciam tanto o tipo de enzima secretada quanto a quantidade (ALMALKI, 2018; COLOGNA et al., 2018; SCHIMIDELL et al., 2001). Também vão influenciar a produção enzimática a cepa do microrganismo utilizado, e até mesmo, o local (fonte ou hospedeiro) de isolamento (GOPINATH et al., 2017). Fungos filamentosos, saprofíticos ou fitopatogênicos, secretam enzimas e outras proteínas com potencial de aplicação biotecnológica, e apesar da grande diversidade desses microrganismos, os trabalhos com enzimas amilolíticas, em geral, se concentram nos gêneros Aspergillus e Penicillium (RAMOS et al., 2016; SOUZA; MAGALHÃES, 2010). Diante do exposto, o presente trabalho teve como objetivo produzir e caracterizar a α-amilase do fungo Rhizoctonia solani AG-1 IA, um grupo economicamente importante e geneticamente diverso de patógenos do solo que afetam o cultivo de braquiária, arroz e soja, entre outras culturas, em vários estados brasileiros (CAMPOS; CERESINI, 2006; POLONI et al., 2016; SOUZA et al., 2007). A seleção de isolados de R. solani AG-1 IA com potencial amilolítico provenientes dos hospedeiros arroz, braquiária e soja, iniciada por Bistratini (2016), foi continuada e ampliada. Novos produtos e resíduos agroindustriais foram empregados na produção da enzima como braquiária lavada, farelo de soja, palha de café, casca de banana e de mandioca. A α-amilase foi caracterizada usando parâmetros bioquímicos, e os substratos utilizados na sua produção, avaliados quanto a constituição bromatológica. A caracterização bromatológica dos substratos permitiu elucidar os parâmetros (teor de açúcares, proteínas, fibras, etc) inerentes aos produtos e resíduos agroindustriais, que favoreceram ou não, sua utilização para obtenção econômica de α-amilases por Rhizoctonia solani AG-1 IA. 44 6 CONCLUSÕES Dentre os isolados de Rhizoctonia solani AG-1 IA, avaliados sob cultivo em estado sólido (CES), TO_022 e MT_SO85, provenientes do hospedeiro soja, são os que mais produzem enzimas amilolíticas. Farelo de trigo, farelo de soja e braquiária lavada induzem eficientemente a produção de α-amilases pelo fungo R. solani AG-1 TO_022 e MT_SO85. Farelo de trigo é o substrato que proporciona os melhores resultados para produção de amilase, comparado a todos os substratos testados. Parâmetros como alto teor de amido e nitrogênio favorecem a produção de α-amilases por R. solani. Em contrapartida, alto teor de carboidratos solúveis, presença de substâncias com atividade antimicrobiana (taninos e cafeína) e constituição predominantemente lignocelulósica, influenciam negativamente a produção da enzima. O tempo necessário para máxima obtenção de α-amilases pelo isolado TO_022 sob cultivo (CES) em farelo de trigo a 25 °C, é de 216 h. A máxima atividade amilolítica para o isolado MT_SO85, nas mesmas condições de cultivo, só é atingida 24 h depois (às 240 h). A α-amilase secretada pelo isolado TO_022 tem máxima atividade em pH ácido (pH 5,5) e temperatura de 55 °C, mantém atividade em pH ácido a neutro (pH 4,5 a 7,0) e não desnatura quando incubada pelo período de 1 h em temperaturas de até 45 °C. 45 REFERÊNCIAS ABDULAAL, W. H. Purification and characterization of α-amylase from Trichoderma pseudokoningii. BMC Biochemistry, London, v. 19, n. 1, p. 4, 2018. AGRIOS, G. N. Plant pathology. 5th ed. Burlington: Elsevier Academic, 2005. 952 p. ALCÁZAR-ALAY, S. C.; MEIRELES, M. A. A. Physicochemical properties, modifications and applications of starches from different botanical sources. Food Science and Technology, Campinas, v. 35, n. 2, p. 215-236, 2015. ALMALKI, M. A. Solid state fermentation of agro-residues for the production of amylase from Bacillus subtilis for industrial applications. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, Kancheepuram, v. 7, n. 3, p. 1341- 1348, 2018. ALVES-PRADO, H. F. 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