Abstract:
Os exopolissacarídeos (EPS) são polissacarídeos extracelulares produzidos por micro-
organismos em resposta a condições ambientais extremas ou a um estresse durante o
crescimento microbiano, possuindo diferentes propriedades físico-químicas e estruturais
interessantes ao setor industrial. Bactérias diazotróficas vêm sendo estudadas por produzirem
quantidades expressivas de EPS, sendo que a maioria dos processos utilizam substratos de custo
elevado como manitol, glicose e sacarose. Assim, o emprego de subprodutos ou resíduos
agroindustriais tem sido investigado como alternativa. O rendimento e as características dos
EPS variam com as condições de cultivo, incluindo a composição do meio, temperatura, pH,
agitação e aeração. Dessa forma, o presente estudo buscou otimizar a produção de EPS
avaliando como as condições de cultivo da bactéria Mesorhizobium sp. SEMIA 816 afetam o
processo, utilizando permeado de soro de queijo (PS) como fonte de carbono. Um planejamento
experimental Plackett-Burman (PB) de 20 ensaios, com 4 pontos centrais, foi realizado para
avaliar a influência de 12 variáveis na concentração de EPS e biomassa maxima: K2HPO4,
KH2PO4, MgSO4.7H2O, NaCl, extrato de levedura (EL), MnCl2.4H2O, CaCl2.2H2O, PS, pH
inicial do meio de produção, relação volume inicial de meio:volume de reator (Vi:VR), agitação
e temperatura. Analisando os resultados do planejamento experimental, observou-se que a
produção de EPS variou de 0 até 9,28 g L-1 e que 10 das 12 variáveis estudadas demonstraram
efeitos significativos na resposta, sendo a concentração de PS a mais influente. O aumento das
concentrações do K2HPO4, MgSO4.7H2O, CaCl2.2H2O e PS foi positivo. Efeitos contrários
foram observados para KH2PO4, EL, CaCl2.2H2O, pH inicial do meio de produção, relação
Vi:VR, agitação e temperatura, enquanto as variáveis NaCl e MnCl2.4H2O não influenciaram.
Para a concentração de biomassa, que variou de 0,6 a 7,15 g L-1, o incremento nas variáveis
MgSO4.7H2O, PS e EL foram significativos e positivos, sendo este último o de maior influência
e oposto ao encontrado para a concentração de EPS. O aumento da relação Vi:VR e temperatura
influenciaram negativamente a produção de biomassa, e as demais variáveis independentes não
influenciaram significativamente nesta resposta. Cultivos subsequentes foram realizados
variando a concentração de EL (0,4, 2,2 e 4,0 g L-1) e utilizando as demais variáveis nas
melhores condições indicadas no planejamento experimental para aumentar a concentração de
EPS. As condições testadas comprovaram os resultados encontrados no planejamento PB,
sendo que o aumento da concentração de EL levou a um maior crescimento microbiano (1,25,
2,43 e 3,14 g L-1, respectivamente) e menor produção de EPS (6,92, 3,15 e 0,75 g L-1,
respectivamente), sendo essa produção de EPS 19,6% inferior ao alcançado no PB. Dessa
forma, as condições de cultivo impactam diretamente a produção de EPS, sendo as
concentrações de carboidratos e fonte de nitrogênio de grande influência no processo. Dentre
todas condições avaliadas no presente estudo a mais eficaz foi aquela correspondente aos pontos
centrais do planejamento PB, com o meio composto por 0,1 g L-1 de K2HPO4, 0,4 g L-1 de
KH2PO4, 0,2 g L-1 de MgSO4.7H2O, 0,1 g L-1 de NaCl, 2,2 g L-1 de EL, 0,12 g L-1 de
MnCl2.4H2O, 0,15 g L-1 de CaCl2.2H2O e 25 g L-1 de PS, utilizando-se pH inicial 7,0, agitação
de 150 rpm, relação Vi:VR 0,2:1 e temperatura de 30 C, alcançando em média 8,61 g L-1 de
EPS em 96 h e 3,04 g L-1 de biomassa máxima em 72 h.
Exopolysaccharides (EPS) are extracellular polysaccharides produced by microorganisms in
response to extreme environmental conditions or stress during microbial growth, having
different physico-chemical and structural properties of interest to the industrial sector.
Diazotrophic bacteria have been studied for producing significant amounts of EPS and most
processes use high cost substrates such as mannitol, glucose and sucrose, so the use of by-
products or agroindustrial waste has been investigated as an alternative. The yield and
characteristics of EPS vary with cultivation conditions, including the composition of the
medium and other parameters such as pH, temperature, aeration and agitation. Thus, the present
study aimed at the optimization of the EPS production by evaluating how the culture conditions
of the bacterium Mesorhizobium sp. SEMIA 816 affect the process, using whey permeate as a
carbon source. A Plackett-Burman (PB) experimental design of 20 trials, with 4 central points,
was performed to evaluate the influence of 12 variables on the EPS concentration and maximum
biomass: K2HPO4, KH2PO4, MgSO4.7H2O, NaCl, yeast extract (YE), MnCl2.4H2O,
CaCl2.2H2O, whey permeate (WP), initial pH of production medium, initial volume of medium:
reactor volume ratio (Vi:VR), agitation and temperature. Analyzing the results, it was observed
that the EPS production varied from 0 to 9.28 g L-1, with 10 of the 12 studied variables showing
significant effects on the response, with the WP concentration being the most influent. The
increase in the concentration of K2HPO4, MgSO4.7H2O, CaCl2.2H2O and WP was positive.
Contrary effects were observed for KH2PO4, YE, CaCl2.2H2O, initial pH of the production
medium, Vi:VR ratio, agitation and temperature, and the variables NaCl and MnCl2.4H2O did
not influence. For the biomass concentration, which varied from 0.6 to 7.15 g L"1, the increase
in the variables MgSO4.7H2O, WP and YE were significant and positive, the latter being the
one with the greatest influence and opposite to that found for EPS concentration. The increase
in the Vi:VR ratio and temperature negatively influenced biomass production and the other
independent variables did not significantly influence this response. Subsequent cultures were
performed by varying the YE concentration (0.4, 2.2 and 4.0 g L-1) and using the other variables
in the best conditions indicated in the experimental design to increase the EPS concentration.
The conditions tested proved the results found in the PB design, and the increase in the YE
concentration led to an increase in microbial growth (1.25, 2.43 and 3.14 g L-1, respectively)
and lower EPS production (6.92, 3.15 and 0.75 g L-1, respectively), this EPS production being
19.6% lower than that achieved in PB. Thus, the cultivation conditions directly impact the EPS
production, since the concentrations of carbohydrates and nitrogen source have great influence
in the process. Among all conditions evaluated in the present study, the most effective was that
corresponding to the central points of PB design, with the medium composed of 0.1 g L-1 of
K2HPO4, 0.4 g L-1 of KH2PO4, 0.2 g L-1 of MgSO4.7H2O, 0.1 g L-1 of NaCl, 2.2 g L-1 of YE,
0.12 g L-1 of MnCl2.4H2O, 0.15 g L"1 of CaCl2.2H2O and 25 g L"1 of WP, using initial pH 7,
agitation at 150 rpm, Vi:VR ratio of 0.2:1 and temperature of 30 C, reaching a mean value of
8.61 g L"1 in 96 h for EPS and 3.04 g L-1 in 72 h for maximum biomass.
