Valorização de subprodutos da indústria cervejeira para produção de ácido hialurônico por via fermentativa a partir do Streptococcus zooepidemicus

Abstract

A crescente preocupação com o gerenciamento de subprodutos agroindustriais se deve ao potencial impacto ambiental e à redução da competitividade nos processos produtivos. Neste contexto, o bagaço de malte de cerveja (BMC) e a levedura residual da cerveja (LRC) surgem como subprodutos de grande relevância, com um potencial significativo para a produção sustentável de ácido hialurônico (AH), um biopolímero valorizado em setores como cosméticos, farmacêuticos e biomédicos. Este estudo tem como objetivo explorar a viabilidade da utilização do BMC como fonte de carbono, através da obtenção de açúcares totais (AT), e da LRC como fonte de nitrogênio, para o cultivo do microorganismo Streptococcus zooepidemicus e produção de AH. O substrato BMC foi tratado, por hidrólise ácida e enzimática, por meio de um planejamento fatorial completo 23, a fim de obter açúcares para utilização como fonte de carbono. Na hidrólise ácida variou-se a concentração de ácido (1-3%), tempo (10-30 min) e temperatura (90-120 °C), e na hidrólise enzimática variou-se a atividade enzimática (10 a 30 FPU/mL), tempo (12-24h) e agitação (100-200 rpm). Os AT foram quantificados pelo método Fenol-sulfúrico. A LRC foi caracterizada quanto ao teor de nitrogênio total e proteínas totais pelo método Kjeldahl para uso como fonte de nitrogênio. A produção de AH foi avaliada por meio de planejamento fatorial completo 22, e quantificado pelo método turbidimétrico CTAB. As cinéticas de fermentação microbiana, utilizando as fontes alternativas de carbono e nitrogênio foram avaliadas por 14 h e os parâmetros obtidos. O AH produzido foi caracterizado por DRX, FT-IR e RMN. As análises estatísticas foram realizadas através de análise de variância (ANOVA) com 95% de confiança, as médias comparadas pelo teste Tukey (p < 0,05). Os resultados obtidos da hidrólise enzimática resultaram um substrato com 73,79 ±0,046 g/L de açúcares totais frente a 52,21 ±0,017 g/L da hidrólise ácida. Os modelos matemáticos apresentaram um ótimo ajuste dos parâmetros com R² de 98,75% para a hidrólise ácida e 94,20% para a enzimática. As fermentações foram realizadas com o substrato obtido da hidrolise enzimática, devido à ausência de compostos inibidores de processos fermentativos. A concentração máxima de AH obtida foi de 0,345 ± 0,057 g/L, em pH 8,0 e 40 g/L de AT, superando em 182% a obtida com meio sintético. Paralelamente, a levedura residual da cerveja mostrou um elevado teor proteico de 41,69 ± 0,632 % e melhorou a produção de ácido hialurônico em 58% quando comparada a fonte de nitrogênio sintético. As condições subótimas, como o pH e a presença de vitaminas do complexo B e aminoácidos, estimularam a produção de AH, sugerindo que o estresse induzido ao microrganismo favoreceu a síntese de membranas capsulares como uma estratégia protetora. As caracterizações demonstraram que o AH produzido utilizando BMC, LRC-S e LRC-P, foram semelhantes e apresentaram por DRX característica amorfa, bandas de FT-IR e sinais de RMN que comprovam ser efetivamente AH. Este estudo sugere que, tanto o BMC quanto a LRC, podem ser considerados fontes promissoras de carbono e nitrogênio, podendo ser utilizados em processo biotecnológico de produção de ácido hialurônico por S. zooepidemicus, contribuindo não apenas para a indústria, mas também para a implementação de práticas de economia circular e para um desenvolvimento sustentável.

Abstract: The growing concern with the management of agro-industrial by-products is due to the potential environmental impact and the reduction of competitiveness in production processes. In this context, brewer's spent grain (BSG) and residual brewer's yeast (RBY) emerge as highly relevant by-products, with significant potential for the sustainable production of hyaluronic acid (HA), a biopolymer valued in sectors such as cosmetics, pharmaceuticals, and biomedicine. This study aims to explore the feasibility of using BSG as a carbon source, through obtaining total sugars (TS), and RBY as a nitrogen source, for the cultivation of the microorganism Streptococcus zooepidemicus and HA production. The BSG substrate was treated by acid and enzymatic hydrolysis, using a full 23 factorial design, to obtain sugars for use as a carbon source. In acid hydrolysis, the concentration of acid (1-3%), time (10-30 min), and temperature (90-120 °C) were varied, and in enzymatic hydrolysis, the enzymatic activity (10 to 30 FPU/mL), time (12-24h), and agitation (100-200 rpm) were varied. TS were quantified by the Phenol-sulfuric method. The RBY was characterized for total nitrogen and total protein content by the Kjeldahl method for use as a nitrogen source. HA production was evaluated using a full 22 factorial design and quantified by the CTAB turbidimetric method. The kinetics of microbial fermentation, using alternative carbon and nitrogen sources, were evaluated for 14 h, and the parameters were obtained. The HA produced was characterized by XRD, FT-IR, and NMR. Statistical analyses were performed using analysis of variance (ANOVA) with 95% confidence, and the means were compared using the Tukey test (p < 0,05). The results obtained from enzymatic hydrolysis resulted in a substrate with 73,79±0,046 g/L of total sugars compared to 52,21±0,017 g/L from acid hydrolysis. The mathematical models showed an excellent fit of the parameters with R² of 98,75% for acid hydrolysis and 94.20% for enzymatic hydrolysis. Fermentations were carried out with the substrate obtained from enzymatic hydrolysis, due to the absence of inhibitory compounds for fermentative processes. The maximum HA concentration obtained was 0,345±0,057 g/L, at pH 8,0 and 40 g/L of TS, exceeding by 182% that obtained with synthetic medium. In parallel, the residual brewer's yeast showed a high protein content of 41,69 ? 0,632% and also improved hyaluronic acid production by 58% when compared to the synthetic nitrogen source. Suboptimal conditions, such as pH and the presence of B-complex vitamins and amino acids, stimulated HA production, suggesting that the stress induced to the microorganism favored the synthesis of capsular membranes as a protective strategy. The characterizations demonstrated that the HA produced using BSG, LRC-S, and LRC-P were similar and showed an amorphous characteristic by XRD, FT-IR bands, and NMR signals that prove to be effectively HA. This study suggests that both BSG and RBY can be considered promising sources of carbon and nitrogen, and can be used in the biotechnological process of hyaluronic acid production by S. zooepidemicus, contributing not only to the industry, but also to the implementation of circular economy practices and sustainable development.