Produção de exopolissacarídeos por rizóbios em meios de cultivo com coprodutos lácteos

Abstract

Os exopolissacarídeos (EPS) são biopolímeros sintetizados por micro-organismos, apresentam ampla variedade de combinações estruturais que dão origem a diferentes propriedades (alta viscosidade, capacidade de gelificação, emulsificação e atividade antioxidante) e, assim, possibilidades de aplicação, sendo os rizóbios bactérias sintetizadoras destas macromoléculas. A síntese dos EPS por rizóbios envolve o uso de uma fonte de carbono no meio de cultivo, normalmente são utilizados açúcares como sacarose ou glicose, representando altos custos, motivando assim a exploração de outras fontes como coprodutos ou resíduos das indústrias. No presente estudo, a produção e as características de EPS sintetizados por bactérias da família Rhizobiaceae foram investigadas utilizando meios contendo permeado de soro e colostro bovinos como fonte de carbono e nitrogênio, respectivamente. Os meios utilizados foram Yeast Manitol Agar (YMA) com razão C/N de 96,5 como meio de comparação, meio a base de permeado de soro (P) e meio com permeado de soro e colostro (PC), ambos com razão C/N de 20. Os cultivos bacterianos foram realizados em frascos agitados a 30 °C e 200 rpm por 96 h, avaliando a biomassa, pH e produção final de EPS. Os EPS foram recuperados por precipitação alcoólica, dialisados e liofilizados para caracterizá-los. Posteriormente foram selecionados os EPS provenientes dos cultivos mais promissores em produção e comportamento reológico, sendo caracterizados quanto à viscosidade aparente em soluções salinas de NaCl e KCl, massa molar, espectroscopia de infravermelho (FT-IR) para verificação de grupamentos funcionais, potencial zeta e propriedades térmicas por Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). As maiores produções foram apresentadas pelas bactérias Mesorhizobium sp. Semia 816 e Mesorhizobium huakuii Semia 6454 no meio P, com 4,86 ± 0,19 g L-1 e 6,15 ± 0,29 g L-1, respectivamente, seguidas pelas produções destas mesmas bactérias no meio YMA. O emprego do meio PC resultou em baixa produção de EPS e soluções com baixa viscosidade. No cultivo com emprego do meio YMA, todas as soluções estudadas apresentaram comportamento pseudoplástico, obtendo-se as mais altas viscosidades aparentes para as soluções de EPS de Mesorhizobium sp. Semia 816 e M. huakuii Semia 6454. Apesar destas bactérias produzirem maiores quantidades dos biopolímeros no meio P, apresentaram menor viscosidade quando comparadas com o meio YMA, porém mantiveram o comportamento pseudoplástico. Os biopolímeros obtidos a partir de Mesorhizobium sp. Semia 816 e M. huakuii Semia 6454 cultivados em meio P, denominados respectivamente EPS-PM816 e EPS-PM6454, foram caracterizados como macromoléculas de alta massa molar, de alta estabilidade térmica em possíveis condições de aplicação e com altos valores de potencial eletrostático. Além disso, os espectros de FT-IR detectaram a presença de grupos funcionais característicos destas biomoléculas. A viscosidade aparente das soluções salinas de NaCl e KCl 0,1 mol L-1 e 1 mol L-1 com 1% (m v-1) de EPS demostrou uma diminuição em relação à solução aquosa sem adição de sais, sendo mais marcante no caso das soluções do EPS-PM6454 (55-60%) e menos pronunciada no caso de EPS-PM816 (12-24%), porém não afetando o comportamento pseudoplástico. Desta forma, os resultados observados neste estudo indicam o potencial de uso do permeado de soro na área biotecnológica, para ser metabolizado por rizóbios na síntese de biopolímeros com características e propriedades de interesse industrial.

Exopolysaccharides (EPS) are biopolymers synthesized by microorganisms; they present a wide variety of structural combinations that give a rise to different properties (high viscosity, gelation, emulsification properties and antioxidant activity) and thus possibilities of application; being rhizobia bacteria synthesizers of these macromolecules. The synthesis of EPS by rhizobia involves the use of a carbon source in the culture medium. Moreover, sugars such as sucrose or glucose are usually used representing high costs, thus motivating the exploration of other sources as byproducts or wastes of the industries. In the present study, the production and characteristics of EPS synthesized by bacteria of the family Rhizobiaceae were investigated using media containing whey permeate and colostrum as carbon and nitrogen source, respectively. The media used were Yeast Manitol Agar (YMA), with C/N ratio of 96.5, as the comparison medium, whey permeate (P) medium and whey permeate and colostrum (PC) medium, both with C/N ratio of 20. The bacterial cultures were performed in shaken flasks at 30 °C and 200 rpm for 96 h, evaluating the biomass, pH and final EPS production. EPS were recovered by alcohol precipitation, dialyzed and lyophilized, in order to characterize them. Afterwards, the EPS selected from most promising cultures, in relation to production and rheological behavior, were characterized in terms of apparent viscosity in NaCl and KCl saline solutions, molecular weight, infrared spectroscopy (FT-IR), for the verification of functional groups, zeta potential and thermal properties by Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The highest culture was presented by the bacteria Mesorhizobium sp. Semia 816 and Mesorhizobium huakuii Semia 6454 in the medium P, with 4.86 ± 0.19 g L-1 and 6.15 ± 0.29 g L-1, respectively, followed by productions of the same bacteria in the YMA medium. The PC medium was not sufficiently effective in the synthesis of EPS because of the low production observed and low viscosity of the solutions of the biopolymers. In the YMA medium, all solutions studied presented pseudoplastic behavior, obtaining high apparent viscosities for the solutions of EPS from Mesorhizobium sp. Semia 816 and M. huakuii Semia 6454. Although these bacteria produced larger amounts of the biopolymers in the P medium, they presented lower viscosity when compared with the YMA medium, but they maintained the pseudoplastic behavior. The biopolymers obtained from Mesorhizobium sp. Semia 816 and M. huakuii Semia 6454 produced with the P medium, denominated respectively EPS-PM816 and EPS-PM6454, were characterized as macromolecules of high molecular weight, with high thermal stability under possible conditions of application and high values of electrostatic potential. In addition, FT-IR spectra detected the presence of functional groups characteristic of these biomolecules. The apparent viscosity of EPS in 0.1 mol L-1 and 1 mol L-1 NaCl and KCl solutions with 1% (m v-1) of EPS showed a decrease in relation to the aqueous solution without addition of salts, being more striking in the case of EPS-PM6454 solutions (55-60%) and lighter in the case of EPS-PM816 (12-24%), but the pseudoplastic behavior was maintained. Thus, the results observed in this study indicate the potential of the use of whey permeate in the biotechnology area, to be metabolized by rhizobia in the synthesis of biopolymers with characteristics and properties of industrial interest.