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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHO

Biotecnologia Industrial

Profa. Dra. Glria Bandeira

Ementa Biotecnologia. Fermentao industrial. Sacarificao.

Levedo de panificao. Indstria de po. Fermentao alcolica: produo industrial de lcool etlico. Fermentao alcolica: produo industrial de vinho. Fermentao alcolica: produo industrial de cerveja. Fermentao alcolica: produo industrial de aguardente. Fermentao alcolica: produo industrial de sidra. Fermentao ctrica: produo industrial de cido ctrico. Fermentao actica: produo industrial de vinagre. Fermentao lctica: produo industrial de queijo e manteiga.

Biotecnologia

Define-se pelo uso de conhecimentos sobre os processos biolgicos e sobre as propriedades dos seres vivos, com o fim de resolver problemas e criar produtos de utilidade, ou seja, fazer uso de organismos vivos ou parte deles, para a produo de bens e servios.

EXEMPLO: alimentos fermentados (po, iogurte), bebidas fermentadas (vinho, cerveja, cachaa, tequila) e outros.

Conjunto de processos microbianos e outros processos bioqumicos desenvolvidos em escala industrial Stenesh (1989)

Uso de organismos vivos para produzir produtos benficos para a espcie humana Glazer & Nikaido (1995)

Integrao de cincias naturais e de cincias da engenharia visando aplicao de organismos, clulas, derivados celulares e anlogos moleculares para produtos e servios Smith-Doerr et al. (1997)

toda tecnologia de processo ou produto que lance mo, em pelo menos uma de suas etapas, da ao de microrganismos, clulas animais ou vegetais, ou de substncias produzidas por estes agentes biolgicos, sendo caracterizada por sua multidisciplinaridade Rehn & Reed (1993)

Conjunto de tecnologias habilitadoras (enabling technologies), que possuem em comum o uso de clulas ou molculas biolgicas para aplicaes na produo de bens e servios, em reas como sade humana & animal, agricultura, energia e meio ambiente Marx (1989)

Insero da Biotecnologia em diferentes setores produtivos.

Biotecnologia de Bactrias

Microrganismos teis industrialmente

Microrganismos deterioradores

Microrganismos patognicos

Exemplos: Cepas de bactrias dos gneros Corynebacterium, Bacillus e Microbacterium tem a capacidade de excretar produtos do seu metabolismo primrio, como aminocidos.

A bactria Corynebacterium glutamicum capaz de produzir cido glutmico, L-arginina, L-isoleucina, L-histidina, L-leucina, L-lisina, L-ornitina, L-fenilalanina, L-prolina, L-treonina, Ltriptofano e L-tirosina, alm de vitaminas e nucleotdeos.

A produo anual de aminocidos utilizados na indstria de alimentos estimada em 2,5 milhes de toneladas (Silva et al., 2010).

Estreptomicetos, so aerbios, vivem no solo e multiplicam-se formando filamentos ramificados.

Importncia: produzem compostos com diferentes atividades biolgicas, tais como: antibiticos, antitumorais, imunomoduladores, antiinflamatrios, vasoconstritores e vasodilatadores, alm de terem aplicao no tratamento da diabete e como herbicidas.

Os antibiticos, so os representantes mais conhecidos deste grupo. Considerando o seu mercado, avaliado em 8 bilhes de Dlares. Os antibiticos so os produtos mais importantes da biotecnologia microbiana, excetuando-se bebidas alcolicas e queijos.

Os antibiticos classificam-se:

quanto ao espectro de atividade: antifngicos, antibacterianos, antivirais, antiprotozorios e antitumorais;

quanto a seu mecanismo de ao: interferindo na sntese da parede celular, na sntese de cidos nuclicos, na sntese de protenas e nas funes da membrana citoplasmtica;

quanto sua estrutura qumica: lactonas macrocclicos, quinonas.

Antibitico Microrganismo

Aminosidina Streptomyces rimosus

Cicloheximida Streptomyces griseus

Cicloserina Streptomyces orchidaceus

Cloranfenicol Streptomyces venezuelae

Eritromicina Streptomyces erithreus

Espectinomicina Streptomyces spectabilis

Estreptomicina Streptomyces griseus

Kanamicina Streptomyces kanamyceticus

Lincomicina Streptomyces lincolnnensis

Neomicina Streptomyces fradiae

Nistatina Streptomyces noursei

Ribostamicina Streptomyces ribosidificus

Tetraciclina Streptomyces rimosus

Antibiticos produzidos por microrganismos do gnero Streptomyces

Bioprocessos

Define-se como sendo um conjunto de operaes que efetuam

o tratamento da matria-prima/resduo, o preparo dos meios, a esterilizao (quando o processo demandar) e a transformao do substrato em produto(s) por rota bioqumica, seguida de processos de separao e purificao de produto(s).

Considera-se bioprocessos processos fermentativos com microrganismos naturalmente ocorrentes ou recombinantes, processos biotecnolgicos, processos com clulas animais ou vegetais, processos

enzimticos ou os tratamentos biolgicos de

resduos e efluentes.

Bioprocessos Processos Qumicos

Decorrente de atividade biolgica Decorrentes de atividades qumicas

Decorrentes de atividade biolgica Decorrentes de reaes qumicas

Catalisadores de alta especificidade Catalisadores no especficos

Condies brandas de T, P e pH Condies drsticas de T, P e pH

Maiores volumes Menores volumes

Podem requerer esterilidade No requerem esterilidade

Bioprocessos versus Processos Qumicos.

Caractersticas do agente etiolgico

Em escala industrial: elevada atividade; ser capaz de converter

rapidamente o substrato em produto com altos rendimentos, conduzindo a altos valores de produtividade;

estabilidade sob condies ambientais extremas (elevada presso osmtica do meio, elevada temperatura, elevada fora inica);

resistente a substncias txicas, que podem ser geradas no processo de tratamento da matria-prima ou encontradas em resduos e efluentes.

Pesquisa 1: Tcnicas da Biologia Molecular aplicada e da Engenharia Metablica para maximizar essas propriedade ou essas caractersticas.

Pesquisa 2: Nutrio de microrganismos

Os benefcios da biotecnologia agrcola

1- Impacto na comunidade global

Biotecnologia agrcola poder ajudar o problema da fome mundial. Segundo a ONU, a produo de alimentos precisar aumentar 50% at 2030 para que as demandas da populao crescente sejam atendidas.

A biotecnologia agrcola tem aumentado de sete a dez vezes a produo das plantaes em alguns pases em desenvolvimento. Em 2007, 12 milhes de agricultores de 23 pases (12 em desenvolvimento e 11 industrializados) cultivaram 252 milhes de acres de plantas com biotecnologia, principalmente soja, milho, algodo e canola.


Sade Humana

A plantao de soja um bom exemplo, com mais de dez novas variedades de gro de soja e os benefcios sade humana, incluem menos gordura saturada, mais cidos graxos mega 3 e maior contedo de isoflavonides.

Nos mais de 12 anos em que as plantas com biotecnologia tm sido comercializadas, no houve nenhum caso sequer relacionado a ecossistemas destrudos ou doenas causadas pela ingesto desse tipo de alimento.


Impacto ambiental

Plantaes resistentes a herbicida, como gros de soja biotecnolgicos, permitiram que os agricultores eliminassem quase que completamente a aragem da terra, o que melhorou a sade e a conservao do solo, aperfeioou a reteno de gua/reduziu a eroso do solo e diminui o acmulo de herbicida.

A agricultura de plantio direto levou a uma reduo global de 14,76 bilhes de quilogramas de dixido de carbono (CO2) em 2006, o equivalente remoo de 6,56 milhes de carros das estradas por um ano.


As aplicaes globais de pesticida diminuram 6% nos 10 anos aps a introduo de plantaes derivadas da biotecnologia, eliminando assim 172 milhes de quilogramas de aplicaes de pesticida.

As plantaes derivadas de biotecnologia esto melhorando a qualidade da gua graas reduo do acmulo de herbicidas e pesticidas.


No futuro, sero usados alimentos biotecnolgicos contendo nveis reduzidos de fitato, os rebanhos eliminaro menos fsforo e, conseqentemente, a qualidade da gua melhorar.

Talvez o benefcio mais importante seja o fato de a biotecnologia ajudar a cuidar do meio ambiente por meio da reduo das emisses de carbono e das aplicaes qumicas nas plantaes.

A Biotecnologia e as suas aplicaes nas indstrias

Conhecer e utilizar MO.s. em processos industriais para produzir mais e melhores produtos, ou em outros processos nos quais suas atividades podem tornar-se de significncia industrial ou tcnica; manipular geneticamente plantas e animais com os mesmos fins.

Controlar a qualidade da matria prima e dos produtos prontos visando:

preservao do ataque dos microrganismos;

a deteco e preveno de toxinfeces produzidas pelas ao de microrganismos em alimentos/produtos e o controle da transmisso de doenas atravs dos mesmos.

Os benefcios da biotecnologia na fermentao dos alimentos

FERMENTAO DOS ALIMENTOS: PROCESSO QUE UTILIZA O CRESCIMENTO CONTROLADO DE M.OS. SELECIONADOS, CAPAZES DE MODIFICAR SUA TEXTURA, SABOR, AROMA, E PROPRIEDADES NUTRICIONAIS. O QUE ??? UM PROCESSO BIOQUMICO, EM QUE OS M.OS. RETIRAM DO MEIO EM QUE VIVEM O MATERIAL NUTRITIVO DE QUE NECESSITAM AO MESMO TEMPO EM QUE SOB A AO CATALTICA DE SUAS PRPRIAS ENZIMAS, ELABORAM SUBSTNCIAS COMO LCOOL, CIDOS.


CONTROLE DAS FERMENTAES: ESCOLHA DO M.O., DOS SUBSTRATOS, DA TEMPERATURA; VALORES DE pH ADEQUADOS; FONTE DE ENERGIA; DISPONIBILIDADE DE OXIGNIO; TEOR DE SAL. EXEMPLOS: QUEIJOS, SALAME, PICLES, VINHO.


pH FRUTAS: pH entre 3,0 e 4,5. HORTALIAS: pH entre 4,6 a 6,5. LEITE: pH prximo de 6,4. CARNE: pH entre 5,3 a 5,7. PESCADO: pH entre 5,7- 6,8. FONTE DE ENERGIA 1) CARBOIDRATOS; 2) PROTENAS; 3) GORDURAS.


DISPONIBILIDADE DE OXIGNIO EXCESSO DE OXIGNIO: LEVEDURAS SE MULTIPLICAM COM RAPIDEZ. EM BAIXAS QUANTIDADES DE OXIGNIO: AS CLULAS COMEAM A ATIVIDADE FERMENTATIVA, COM PRODUO DE LCOOL. BOLORES: ESTRITAMENTE AERBIOS, BACTRIAS: LIMITADO PELA PRESENA OU PELA AUSNCIA DE OXIGNIO.

Os benefcios da biotecnologia na fermentao dos alimentos TEMPERATURA LEVEDURAS TEMPERATURA ENTRE 26 E 32C; BACTRIAS ACTICAS TEMPERATURA ENTRE 34 A 36C; BACTRIAS LTICAS TEMPERATURA ~ 45C.

DE ACORDO COM A TEMPERATURA, CADA GRUPO DE M.OS. POSSUI A SUA FAIXA TIMA DE CRESCIMENTO, SENDO ASSIM, A TEMPERATURA DO SUBSTRATO TAMBM UTILIZADA PARA CONTROLAR O CRESCIMENTO MICROBIANO. CONTROLANDO A TEMPERATURA, SERO FAVORECIDOS OS M.OS. NECESSRIOS NOS PROCESSOS FERMENTATIVOS QUE SE DESEJA.


CLORETO DE SDIO LIMITA A AO DE MICRORGANISMOS; A MAIORIA DAS BACTRIAS LTICAS SE DESENVOLVE EM SUBSTRATOS COM CONCENTRAES DE CLORETO DE SDIO, EM ALGUMAS FERMENTAES LTICAS, COMO NA PRODUO DE PICLES, O SAL E O CIDO ACTICO SO OS RESPONSVEIS PELA ESTABILIDADE DA CONSERVAO.


AS SUBSTNCIAS RESULTANTES DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS, DE ACORDO COM AS SUAS CARACTERSTICAS, SO TRANSFORMADAS EM PRODUTOS: SE SO ORIGINADOS LCOOIS, ESTES SO UTILIZADOS EM BEBIDAS ALCOOLICAS; SE SO CIDOS, SO APROVEITADOS PARA PREPARAR IOGURTES, QUEIJOS, VEGETAIS FERMENTADOS COMO PICLES.


OS PRODUTOS OBTIDOS: DEPENDEM DOS AGENTES RESPONSVEIS PELO PROCESSO. FERMENTAO POR BACTRIAS DO COMO PRODUTOS PRINCIPAIS O CIDO ACTICO, LTICO, BUTRICO, PROPINICO E GLUCNICO. BOLORES; OBTEM-SE MANITOL, E O CIDO CTRICO, GLUCNICO, LTICO, E FUMRICO, ANTIBITICOS. LEVEDURAS: OBTEM-SE LCOOL.


VANTAGENS: CONSERVAO DE ALIMENTOS PRODUTOS NOVOS, AUMENTANDO A POSSIBILIDADE DE CONSUMO; APRESENTAM PALATIBILIDADE, SUCULNCIA, VALOR NUTRITIVO, E VIDA DE PRATELEIRA SUPERIORES A MATRIA PRIMA QUE LHE DEU ORIGEM.


TIPOS DE FERMENTAO BACTERIANA: HOMOFERMENTATIVAS: M.OS. QUE SO CAPAZES DE FERMENTAR O SUBSTRATO DANDO COMO PRODUTO FINAL UM NICO PRODUTO. HETEROFERMENTATIVAS: MOS. QUE APS A FERMENTAO DO COMO PRODUTO FINAL MAIS DE UM PRODUTO.


FERMENTAO ALCOLICA PRINCIPAIS LEVEDURAS UTILIZADAS: Saccharomyces cerevisiae, USADA NA ELABORAO DE VINHOS E CERVEJAS (BEBIDAS FERMENTADAS), RUM, USQUE, TEQUILA, GIM, CONHAQUE (BEBIDAS FERMENTO-DESTILADAS) E PO. DURANTE O PROCESSO FERMENTATIVO O PH DO SUBSTRATO DEVE SER MANTIDO PRXIMO DE 4,5 E TEMPERATURA DE 28C.


FERMENTAO ACTICA: UTILIZADA NA PRODUO DE VINAGRE, PELA OXIDAO DO LCOOL PELAS BACTRIAS ACTICAS, COMO Acinetobacter e Gluconobacter . PROCESSOS: O MTODO RPIDO OU ALEMO E O MTODO LENTO OU ORLEANS. MTODO ORLEANS USADO NA FABRICAO DE VINAGRE DE VINHO, ONDE SE UTILIZA A UVA COMO MATRIA PRIMA. O SUCO DE FRUTA SUBMETIDO FERMENTAO ALCOLICA E DEPOIS A FERMENTAO ACTICA. RESULTA QUE UM PRODUTO DE BOA QUALIDADE PARA SER CONSUMIDO DEVE APRESENTAR NO MNIMO 4% DE ACIDO ACTICO.


MTODO RPIDO UTILIZADO PARA A FABRICAO DE VINAGRE DE LCOOL, DE QUALIDADE INFERIOR AO DO VINHO, NECESSITA DE TEOR MNIMO DE 6% DE ACIDEZ, PARA SER CONSUMIDO. OUTRO USO: O CIDO ACTICO PODE SER UTILIZADO COMO ACIDULANTE


FERMENTAO LCTICA PRODUTOS DE ORIGEM VEGETAL: PICLES, CHUCRUTE, AZEITONAS, HIDROLISADOS PROTICOS ; PRODUTOS DE ORIGEM ANIMAL: QUEIJO, IOGURTE, SALAMES, HIDROLISADOS PROTICOS. ESTA FERMENTAO OCORRE DE ACORDO COM A TOLERNCIA DOS M.OS. AO pH DO SUBSTRATO.


PRODUTOS VEGETAIS FERMENTADOS TAIS COMO: PEPINOS, AZEITONAS SO SUBMERSOS EM SALMOURA CONTENDO DE 2,5 A 6,0% DE CLORETO DE SDIO, PARA INIBIR O CRESCIMENTO DAS BACTRIAS RESPONSVEIS PELA PUTREFAO. PARA QUE OCORRA FERMENTAO, ELIMINA-SE O AR DO RECIPIENTE. EM CONDIES ANAERBIAS, PRODUZ-SE O CRESCIMENTO SUCESSIVO DE DIFERENTES ESPCIES DE BACTRIAS LTICAS, RESPONSVEIS PELA CONCENTRAO FINAL DE CIDO LTICO, EM MDIA 1%.


FASES DA FERMENTAO DOS PRODUTOS VEGETAIS: TRS PRIMEIRA FASE GRANDE A QUANTIDADE DE BACTRIAS, BOLORES E LEVEDURAS QUE SE ENCONTRAM DISTRIBUIDAS NO SUBSTRATO. A DURAO DESTE PERODO DE 2-3 DIAS A SETE DIAS NO MXIMO, DURANTE OS QUAIS O NMERO DE BACTRIAS LTICAS CRESCE RAPIDAMENTE, DESCRESCENDO O NMERO DE M.OS. INDESEJVEIS.


A ACIDEZ AUMENTA E O pH DIMINUI. A FASE MAIS CRTICA E IMPORTANTE DO PROCESSO, VISTO QUE OS M.OS. INDESEJVEIS, EM CONDIES ADEQUADAS, PODEM SE MULTIPLICAR E PREJUDICAR A QUALIDADE DO PRODUTO. NESTA FASE PREDOMINAM BACTRIAS Enterobacter aerogenes, Bacillus mesentericus e B. macerans.


SEGUNDA FASE PREDOMINAM OS GNEROS Leuconostoc e Lactobacillus . A ACIDEZ CRESCE E O pH DIMINUI. PREDOMINANDO O GNERO Leuconostoc. TERCEIRA FASE, COM O AUMENTO DE ACIDEZ, PREDOMINAM OS Lactobacillus . O PROCESSO CONSIDERADO CONCLUDO QUANDO A ACIDEZ TOTAL ATINGIR DE 0,5 A 1,0% EM CIDO LTICO


OUTRO PRODUTO: CHUCRUTE, OBTIDO POR FERMENTAO LTICA COMPLETA DE REPOLHO DEVIDAMENTE CORTADO ADICIONADO DE 2,0 A 3,0% DE SAL. A FERMENTAO SEMELHANTE A DO PICLES, COM PREDOMINIO INICIAL DO GNERO Leuconostoc E NA FASE FINAL A PREDOMINANCIA DO GNERO Lactobacillus . O TEOR DE CIDO LCTICO, NO FINAL DO PROCESSO VARIA DE 1,0 A 2,0%.


A AZEITONA PODE SER PROCESSADA VERDE OU MADURA, MAIS COMUM VERDE. ANTECEDENDO A FERMENTAO, OS FRUTOS SO SUBMETIDOS A UM TRATAMENTO COM HIDRXIDO DE SDIO (SOLUO 1 A 2%), PARA ELIMINAR O SABOR AMARGO. A SEGUIR OS FRUTOS SO COLOCADOS EM DORNAS ONDE SE ENCONTRA A SALMOURA COM CONCENTRAO DE SAL PRXIMAS A 9%. ESSA CONCENTRAO CAIR PARA 4,0% E SER CORRIGIDA PARA 6,6%, SENDO MANTIDA DURANTE TODA A FERMENTAO.


O PH TAMBM VARIA DE INICIALMENTE 6,0, ATINGINDO NO FINAL DA FERMENTAO VALOR PRXIMO DE 3,0. A FLORA MICROBIANA EST RELACIONADA COM A FASE DE FERMENTAO, DESTACANDO-SE OS Lactobacillus plantarum, L. brevis, Leuconostoc mesenteroideus. O TEOR DE CIDO LCTICO, NO FINAL DA FERMENTAO PRXIMO DE 1,5%.

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