Estratégias de cultivo para o aumento da produção de exopolissacarídeos por Ensifer meliloti em meio com melaço de soja

Abstract

O presente estudo foi conduzido com o objetivo de avaliar o efeito da composição do meio e do modo de cultivo na produção de exopolissacarídeos (EPS) pela bactéria Ensifer meliloti SEMIA 135, utilizando melaço de soja como fonte de nutrientes, enfatizando a importância da utilização de substratos de baixo custo como os coprodutos agroindustriais para atingir uma produção eficiente de EPS. A bactéria foi cultivada em frascos agitados utilizando diferentes meios, variando a concentração de melaço (30 a 50 g L-1) e a presença ou não de extrato de levedura e sais minerais, bem como nas formas de operação em batelada simples e alimentada. Foram realizados cultivos em biorreator de bancada de 5 L utilizando diferentes condições de agitação, em batelada simples e alimentada, determinando a produção de EPS e biomassa. Como resultado, comprovou-se que a utilização de extrato de levedura é dispensável, sendo possível utilizar um meio contendo somente melaço de soja (30 g L-1) acrescido de solução salina, enquanto concentração mais elevada de melaço resultou em redução da produção. A batelada alimentada em frascos agitados apresentou uma produção mais elevada de EPS (9,08 ± 0,25 g L-1) em comparação à batelada simples (7,67 ± 0,40 g L-1). As melhores condições de agitação e aeração para produção de EPS em biorreator de bancada foram 200 rpm e 1,25 vvm, respectivamente, correspondendo a um kLa de 17,5 h-1. A operação em batelada alimentada no biorreator proporcionou a maior produção de EPS do estudo (14,4 g L-1), em comparação com 8,61 g L-1 na batelada simples, confirmando que essa estratégia pode ser uma alternativa promissora para a produção de EPS a partir de bactérias diazotróficas. O EPS apresentou massa molar ponderal média de 9,266 x 107 Da, com baixo índice de polidispersão (3,330), grupos funcionais característicos de EPS rizobianos e caráter polianiônico (potencial zeta de -36,03 mV em pH 7). O EPS apresentou comportamento reológico seguindo o modelo de Herschel- Bulkley, com redução da viscosidade aparente com o aumento do pH, bem como alta estabilidade térmica, com temperatura de fusão de 203 C. A caracterização do biopolímero confirmou sua potencialidade como biomaterial para aplicações industriais, sendo uma opção atraente para diversos usos.

The present study was conducted to evaluate the effect of medium composition and cultivation mode on the production of exopolysaccharides (EPS) by the bacterium Ensifer meliloti SEMIA 135, using soybean molasses as a nutrient source, emphasizing the importance of using low- cost substrates such as agro-industrial wastes and byproducts to achieve cost-effective EPS production. The bacterium was cultivated in shake flasks using different media, varying the molasses concentration (30 to 50 g L-1) and the presence or absence of yeast extract and mineral salts, as well as in batch and fed-batch operation modes. Cultivations are also performed in a 5 L stirred bioreactor under different agitation conditions, in both batch and fed-batch modes, determining EPS and biomass production. As a result, it was found that the use of yeast extract is unnecessary, and it is possible to use a medium containing only soybean molasses (30 g L-1) supplemented with saline solution, while a higher molasses concentration resulted in reduced production. The fed-batch mode in shake flasks showed higher EPS production (9.08±0.25 g L-1) compared to the batch mode (7.67 ± 0.40 g L-1). The optimal agitation and aeration conditions for EPS production in the stirred bioreactor were 200 rpm and 1.25 vvm, respectively, corresponding to a kLa of 17.5 h-1. Fed-batch mode provided the highest EPS production (14.4 g L-1), in comparison to 8.61 g L-1 in batch mode, confirming that this strategy can be a promising alternative for EPS production from diazotrophic bacteria. The EPS showed an average molecular weight of 9.266 x 107 Da, with a low polydispersion index (3.330), functional groups characteristic of rhizobial EPS and polyanionic character (zeta potential of - 36.03 mV at pH 7). The EPS showed rheological behavior following the Herschel-Bulkley model, with a reduction in apparent viscosity with increasing pH, as well as high thermal stability, with a melting temperature of 203 C. Characterization of the biopolymer confirmed its potential as a biomaterial for industrial applications, presenting an attractive option for various uses.