ESTuno PRELIMINAR DA FERMENTAÇÃO ALCOOLICA DA ALCACHOFRADE JERUSALEM (Helianthus tuberosus L.) PELO Kluyveromyves marxianus Lg.

NO CEARA *

F.A.G. ALMEIOA **T.P. DE JESUS **S.O. FIGUEIRÓ ***H.L. ARORA ****J.O.B. CARIOCA ***

rosus L/, by K/uyveromyces marx;anus Lg. I NCEARA, B RAZ I L.

I n th is paper resu Its ~re prese nted about thefermentation of the varieties Dornburguer, Chi-cago, Topinsol, Mommoth French White(MFW) e Columbia, belonging to the species He-lianthus tuberosus L (Jerusalem Artichoke).

Cultures of K/yveromyces marx;anus andSaccharomyces cerev;s;ae were employed in thefermentation of Jerusalem Artichoke.

The alcohol concentration and fermenta-tion yield obtanied were studied as function ofthe sterilization and cellular viability.

The fermentation of the hydrolysed mate-rial using the MFW variety was characterized bylow alcoholic content, relatively short fermen-tation time, and negligible difference in resultsobtained with or without aeration.

The direct fermentation of Jerusalem Arti-choke extract, using the same variety, was alsocharacterized by low alcoholic content, but thefermentation time was 5-6 times more than thatwith the hydrolysed material.

RESUMO

Dados preliminares de fermentação das varieda-des Dorburguer, Chicago, Topinsol, Mammoth FrenchWhite 1MFW) e Columbia, integrantes da espécieHelianthus tuberosus L. - Alcachofra de Jerusalém -são apresentados neste trabalho.

As culturas de Kluyveromuces marxianus e deSaccharomyces cerevisiae foram empregadas nos pro-cessos fermentativos da Alcachofra de Jerusalém.

A concentração de álcool e o rendimento da fer-mentação obtidos foram estudados como função daesterilização e viabilidade celular.

A fermentação de material hidrolisado, usando-sea variedade MFW, caracterizou-se pelo baixo teoralcoólico. per(odo de tempo de fermentação relativa-mente curto e diferenças inexpressivas entre resultadosobtidos com e sem aeração.

A fermentação direta do extrato da Alcachofrade Jerusalém, também usando a variedade MFW, carac-terizou-se igualmente pelo baixo teor e rendimentoalcoólicos e tempo de fermentação 5 a 6 vezes maiorque o tempo de fermentação com material hidrolisado.

PALAVRAS-CHAVE: Fermentação, Alcachofra de Je-rusalém, Kluyveromyces marxianus, Anal(tica.

SUMMARYALCOHOLIC FERMENTATION OF

JERUSALEM. ARTICHOKE, Helíanthus tube- INTRODUÇÃO

As plantas possuem a capacidade de sinte-tizar carboidratos em diversas formas tais comoaçúcares, amido, celulose e inulina. Certas plan-tas, como a Alcachofra de Jerusalém, (Helian-thus tuberosus L) (RUTHERFORD & WES-TON9), armazenam inulina durante o processoda fotossíntese. Dentre as várias formas de car-boidratos, a inulina tem sido pouco explorada

* Pesquisa financiada pela Financiadora de Estu-

dos e Projetos-FINEP.** Professor Adjunto do Departamento de Biolo-

giada Universidade Federal do Ceará.*** Engenheiro Químico do Departamento de Bio-

logia da Universidade Federal do Ceará.**** Professor Titular do Departamento de Química

Analítica e F(sico-Química da Universidade Fe-deral do Ceará.

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lidade aos solos pobres, moderadas doses de irri-gação e adubos orgânicos, alta produtividade eacentuado teor de proteína em sua composi-ção, como indica a Tabela 2. Estas vantagens atorna UrP potencial excelente no Nordeste paraprodução de ração animal, frutose e etanol.

A prc.Jução de álcool da Alcachofra de Je-rusalém tem sido estudada desde o fim do sécu-lo passado e foi utilizada durante duas guerrasmundiais (CHABBERT et alii'). O processo deconversão consiste de hidrólise ácida à -alta tem-peratura, seguida por fermentação com levedu-ras clássicas, tais como Saccharomyces cerevisiae(UNDERKOFLER et alij12 ). Essas levedurasnão são bem apropriadas para fermentação efi-

para fins energéticos e não energéticos. A inuli-na é um polímero linear de alto peso molecu-lar, contendo unidades de frutose com ligaçõesdo tipo (2.1), com uma molécula de glicose naextremidade como mostra a Figura 1 (NOR-MAN &ZITTAN8).

A inulina tem características distintas nosentido de que, após a hidrólise, é convertidaem frutose, que se constitui um adoçante nutri-tivo com maior valor nas plantas naturais (Ta-bela 1) (ZITTAN13). A frutose, por sua vez,pode ser convertida em álcool etílico por pro-cesso de fermentação.

Dentre as plantas produtoras de inulina es-tá a Alcachofra de Jerusalém, espécie nativa daAmérica do Norte (GUIRAUD & GALZy5). AUniversidade Federal do Ceará vem estudando,deste 1983, a sua produção agrícola, processosde extração da inulina, hidrólise e fermentação.

A Alcachofra de Jerusalém oferece váriasvantagens agrícolas como: curto ciclo, adaptabi-

TABELA 2

Composição Ou{mica da Alcachofra de Jerusalém emDiferentes Variedades

Conteúdo(%)

Farinha TubérculoMFW Colúmbia MFW Columbia

TABELA 1

Poder Adoçante Relativo de Alguns Açúcares (Zittan3) 6,293,7

3,05,39,0

76,223,80,21,17,7

76240,21,18,0

Umidade 6,0Matéria Seca 94Fibra 3,0Cinzas 5,0Prote(na * 9,0

*Base Seca - (N x 6,251

F IGU RA 1 - Estrutura da Inulina

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~

ciente da inulina, o carboidrato principal destaespécie.

SACHS et alii10 empregaram hidrólise áci-da para decompor a inulina em açúcares fer-mentecíveis que, então, foram inocula_ios comS. cerevisiae. O rendimento do processo conju-gado foi da ordem de 70%. GUIRAU:) et alii4.têm estudado o uso de leveduras com atividadeinulase para fermentação direta do extrato deinulina, sem anterior hidrólise ácida ou esterili-zação a pH 3,5. Nestas condições a leveduraK. marxianus utilizada pelo grupo de Guiraud,produziu álcool até 12°GL do extrato da Alca-chofra de Jerusalém, contendo 100g de açúcarpor litro. UNDERKOFLER et alii12 têm usadovários tipos de leveduras com eficiência de con-versão de até 90% em álcool, empregando culti-vo contínuo destas no extrato não hidrolisadoda Alcachofra de Jerusalém. CHABBERT etalii1 estudaram a grande fermentabilidade dosaçúcares da Alcachofra de Jerusalem como fun-ção de cultivo da cultura.

GUIRAUD et alii4 têm estudado grandenúmero de variedades de leveduras visando oti-mizar o processo de produção de álcool da inu-lina. MARGARITIS & BAJPAI6 usaram as célu-las imobilizadas de Kluyveromyces marxianuspara produção contínua de etanol de JerusalemArtichoke.

Neste trabalho, são apresentados dados pre-"liminares de fermentação de algumas variedadesda espécie estudada. A concentração de álcool erendimento de fermentação obtidos foram estu-dados como função de esterilização e viabilida-de celular.

MATERIAIS E M~TODOS

As variedades de Alcachofra de Jerusalém,Dornburguer, Chicago, Topinsol, MammothFrench White (MFW) e Colúmbia, produzidasno campo de estudo da Universidade Federal doCeará, foram utilizadas nesta pesquisa.

A cultura de Kluyveromyces marxianus foicedida pelo Prof. J.P. Guiraud, da Ecole Natio-nal Agronomique de Montpellier, França, a qualestá sendo mantida em meio TGE-AGAR. A le-vedura empregada no processo fermentativo domaterial hidrolisado, (UNDERKOFLER etalii12 ), a partir do fermento F leischmann, foi aSaccharomyces cerevisiae.

A fermentação foi produzida a 30°C, emerlenmeyer com 400ml de extrato inocu ladocom leveduras de K. marxianus, após cultivo nomesmo meio (50ml), complementado com0,5% de inulina e 0,5% de extrato de levedura, e

cujo crescimento foi realizado sob agitação, a°30 C, por 24h.

Para preparar os extratos fermentec(veis daAlcachofra de Jerusalém, os tubérc~los foramlavados, moídos e passados numa prensa ma-nual, seguindo-se em alguns casos, ester:lizaçãosob pressão, a 120°C por 15min.

O número de células (COELHO21 foi deter-minado por contagem direta em um microscó-pio do tipo BAUSCH & LOMB. A estimaçãoaproximada do açúcar total foi obtida com ouso de um refratômetro. Açúcar redutor totalfoi determinado através do método DNS-ácidodinitro salicílico (MILLER71; o conteúdo deaçúcar total usando o método antrona modifi-cado (TREVELYAN & HARRISSON11 I e oteor alcOÓlico foi medido através do método dedesti lação.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Dois tipos de experimentos foram condu-zidos com a fermentação da Alcachofra de ~e-rusalém: (1 I fermentação com a Saccharamy-ces cerevisiae após hidrólise ácida da farinhà daAlcachofra de Jerusalém, usando as variedadesColúmbia e MFW, e (21 fermentação direta coma Kluyveromyces marxianus, do extrato da Al-cachofra de Jerusalém, usando as variedadesDornburguer, Chicago, Topinsol e MFW.

As condições do processo empregado e osresultados obtidos são mostrados nas Figuras 2a 8 e Tabelas 3 e 4.

Na apresentação dos resultados, dois tiposde rendimentos são distinguidos (GUIRAUD etalii4 I: (11 rendimento de fermentação (nAI, de-finido como a percentagem de carboidratosconsumidos durante a fermentação, e (21 rendi-mento aléóolico (nalcl, expresso em gramas deálcool produzido por 100g de carboidratosconsumidos.

Para fermentação çom material hidrolisado,foram empregadas as variedades Colúmbia eMFW. A fermentação é caracterizada pelo baixoteor alcoólico (3 a 4° LGI, período de tempo defermentação relativamente curto (8 a 10hl e di-ferenças inexpressivas entre resultados obtidoscom e sem aeração. O rendimento alcoólico ébaixo como mostra a Tabela 3.

A fermentação direta do extrato da Alca-chofra de Jerusalém demonstrou pequena varia-ção no rendimento com extrato esterilizado,mostrado na Tabela 4.

A variação do número de células, acima deum certo valor mrnimo, não tem influênciasubstancial nos rendimentos alcoólicos e de fer-mentação. Esta afirmação é consistente com aliteratura (GUIRAUD31 onde o mesmo teor

Oên. Agron., Fortaleza, 19 (I): pág. 79-86,jun., 1988 '81

BATATAMOlDA --.

05 % INULINA v

05 % EXTRATO DELEVEDURA

EXTRATO

~

ESTERILIZAÇÃO

. Nutrientes

. 120 °C / 15 min

cels/ml ). Inóculo (2 a 10x 107pH do Extrato - 4,5

Agitação / 48 horasT - 30 °C

ART ( DNS )

Açucar Total.

Brix

( antrona

DESTILAÇÃO. I' }

o 2 4 6 8

TEMPO (h)

FIGURA 4 - Fermentação do Hidrolisado da Fari-nha de Jerusalém Artichoke (VariedadeMFW) com a s. cerevisiae (69/1).

o 2 4 6 e 10 24

TEMPO (h)

F IGU RA 3 - Fermentação de Hidrolisado de Farinhade Jerusalém Artichoke (Variedade Colúmbia) com S.cerevisiae (69/1).

82 Ciên. Agron., Fortaleza, 19 (1): pág. 79-86,jun., 1988

.-ALCOOL

FIGURA 2 -Processo de Fermentação Alcôolica de Alcechofre de Jeru,,"m Com K. oM.rx;.n,. Lg

100

--CI--.J«..-o..-

~«<->::>o«

75

50

25

o 10 20 30TEMPO

40 50h

FIGURA 5 -Fermentação da Alcachofra de Jerusalém (Variedade MFW) com k. marxianus Lg

TABELA 3

Influência da Aeração na Fermentação da FarinhaHidrolizada(1) da Alcachofra de Jerusalém Com a

S. cerevisiae.

Variedade Tratamentodo Estrato

°GL nf(%)

nalc(%)

COLÚMBIA com aeraçãosem aeraçãocom aeraçãosem aeração

4

3,554

98979696

38403127

MFW

o tempo de fermentação com material hidrolisa-do, com obtenção do mesmo teor alcoólico(3°G L) e rendimento. O tempo elevado de esto-cagem talvez tenha contribuído para um baixorendimento alcoólico. A pesquisa deve ser es-tendida para outras variedades para uma afirma-ção geral.

O grau alcoólico obtido com fermentaçãodireta do extrato da Alcachofra de Jerusalém,variedades, Dornburguer, Chicago, Topinsol,varia entre 5 e 7°G L.

O objetivo da pesquisa visa a otimização dosistema agro-industrial para produção econômi-ca de álcool e proteínas da Alcachofra de Jeru-salém. Para atingir este fim, estudos estão sendorealizados com várias variedades desta planta, afim de relacionar os fatores agronômicos deprodutividade, período de safra e colheita, n(-vel de irrigação e adubação e qualidade do solo

(1) 15g de matéria seca, 100ml de água destilada, 1h a80°C com agitação, pH 1,0 (HCI).

alcóolico foi encontrado com variações do nú-mero de 2 a 50 x 107 celso/mio

O tempo de fermentação direta do extrato,com a variedade MFW, é 5 a 6 vezes maior que

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150

100

75

--o--l<t..-o..-

a:<tu::>(..).<t . o

o

50

o

NÃO ESTERiliZADO25

o 10 20 30 40 50

TEMPO h)

FIGURA 6 - Fermentação do Extrato da Alcachofra de Jerusal~m (Variedade Chicagol com K. marxianus LgpH = 4,5; T = 30°C, com Agitação.

84 Ciên. Agron., Fortaleza, 19 (1): pág. 79-86,jun., 1988

100

75

50

25

~

"'-~

-J<XI-ol-

a:<Xu::>(.).<X

o 10 20 30

TEMPO (h)

40 50

o 10 20 30 40 50 60

TEMPO Ih)

FIGURA 8 -Fermentação do Extrato da Alcachofra de Jerusalém (VariedadeDornburguer) com K. marxianus Lg.

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Tabela 4

Fermentação do Extrato de Algumas Variedades da Alcachofra de Jerusalém com a K. marxianus LG.

°GL "alc(%)

Variedade Tempo deEstocagem

(Dias)

Açúcar(9/1

Inicial

~

N.o de cels/mlx(107)

-Viabifidade Esterilização

Celul'3r

(~)

"alc(%)

Dornburguer 8 132 17 4,15 93 Sim 7 87 48

Chicago 7 158 9 5,2 75 Sim 6 94 - 32

5 100 14 7,3 74 Sim 5 86 46

Topinsol 5 98 18 4,4 43 Não 5 81 49

MFW 30 114 20 2,7 N.D Sim 3 82

N.D - Não determinado*Fermentação a 30°C, por 48 h, com adição dos nutrientes (0,5% de inulina e 0,5% de extrato de levedura),

com o teor de inulina e proteína no tubérculo ecom a composição da rama da planta.

A eficiência real de conversão em álcoolpode ser determinada pela divisão do rendimen-to alcoólico (Narcl por um fator teórico de 51,1.A Tabela 4 mostra que as eficiências obtidas sãobastante altas.

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86 Ciên. Agron., Fortaleza, 19 (1): pág. 79-86,jun., 1988

Total)

Final