Potencial biotecnológico do bagaço de malte como substrato para síntese de enzimas fúngicas

Orientadora: Profª. Dra. Raquel Ströher

Coorientadora: Profª. Dra. Eliane Hermes e Profª. Dr. Dile Pontarolo Stremel

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia. Defesa : Palotina, 25/02/2025

Inclui referências

Área de concentração: Biotecnologia

Resumo: O bagaço de malte é um subproduto lignocelulósico gerado em grandes volumes no processo de fabricação da cerveja. Suas características incluem altos teores de proteínas e carboidratos, demonstrando potencial aproveitamento como substrato na obtenção de produtos de maior valor agregado, dos quais as enzimas se destacam. Dentre as mais utilizadas a nível industrial estão as hidrolases, especialmente amilases e celulases, que são amplamente empregadas no setor de alimentos e bebidas, bem como para produção de biocombustíveis. Essas enzimas podem ser obtidas por processos fermentativos, conduzidos na presença de fungos filamentosos, de modo que, sua obtenção utilizando resíduos agroindustriais, surge como uma alternativa biotecnológica promissora, considerando aspectos econômicos e ganhos ambientais. Nesse sentido, o estudo teve como objetivo caracterizar quimicamente o subproduto proveniente de uma indústria cervejeira do oeste do Paraná e avaliar a produção de enzimas amilolíticas e celulolíticas e a cinética de produção envolvida a partir da fermentação em estado sólido do bagaço de malte, utilizando cepas de Aspergillus niger e Trichoderma asperellum. Um planejamento experimental do tipo fatorial 2³ completo com quadruplicatas no ponto central foi realizado para o estudo dos efeitos de granulometria (10 mesh e 14 mesh), temperatura (28 ºC e 32 ºC) e teor de umidade (60% e 80%). Os erlenmeyers foram inoculados separadamente, incubados por 7 dias e as amostras foram retiradas para quantificação da atividade de amilases, CMCases e FPases. Os principais resultados obtidos para a atividade de amilases foram verificados nos ensaios 6 (87,01 ± 2,06 U.mL-1) e 3 (77,33 ± 4,82 U.mL-1), conduzidos com 80% de umidade, 10 mesh de granulometria e 28 ºC, e 60% de umidade, 10 mesh e 32 ºC, respectivamente, inoculados com A. niger. Para CMCases as maiores produções foram verificadas nas repetições do ponto central (70% umidade, 12 mesh, 30 ºC) também para os tratamentos inoculados com A. niger, cujos valores variaram entre 23,10 ± 0,34 U.mL-1 e 26,72 ± 0,45 U.mL-1. Enquanto para FPases os maiores valores obtidos foram observados nos ensaios inoculados com T. asperellum variando entre 24,92 ± 1,87 U.mL-1 e 35,46 ± 1,77 U.mL-1, também para os tratamentos do ponto central. Adicionalmente, os dados foram tratados estatisticamente através de análise de variância (ANOVA) e regressão linear múltipla, sendo possível encontrar equações dos modelos que representam a maior parte dos dados obtidos nos intervalos considerados no estudo, bem como avaliar presença de curvatura e falta de ajuste inerentes aos dados experimentais. Desse modo, o estudo possibilitou o conhecimento das principais características do bagaço de malte, e a avaliação das atividades de amilases, CMCases e FPases, demonstrando que as características do substrato, as condições cultivo, especialmente temperatura, umidade e granulometria, bem como os microrganismos empregados, são fatores essenciais no processo

Abstract: Brewer’s spent grain is a lignocellulosic byproduct generated in large volumes during the beer manufacturing process. Its characteristics include high levels of proteins and carbohydrates, demonstrating potential use as a substrate for obtaining value-added products, among which enzymes stand out. Among the most used at the industrial level are hydrolases, especially amylases and cellulases, which are widely employed in the food and beverage sector, as well as for biofuel production. These enzymes can be obtained by fermentative processes, conducted in the presence of filamentous fungi, so that their production using agro-industrial residues emerges as a promising biotechnological alternative, considering economic aspects and environmental gains. In this sense, the study aimed to chemically characterize the byproduct from a brewing industry in western Paraná and evaluate the production of amylolytic and cellulolytic enzymes and the production kinetics involved from the solid-state fermentation of brewer’s spent grain, using Aspergillus niger and Trichoderma asperellum strains. A full 2³ factorial experimental design with four replicates at the central point was carried out to study the effects of particle size (10 mesh and 14 mesh), temperature (28 ºC and 32 ºC), and moisture content (60% and 80%). The Erlenmeyer flasks were inoculated separately, incubated for 7 days, and samples were taken for quantification of amylase, CMCase, and FPase activity. The main results obtained for amylase activity were verified in assays 6 (87.01 ± 2.06 U.mL?¹) and 3 (77.33 ± 4.82 U·mL?¹), conducted with 80% moisture, 10 mesh particle size and 28 ºC, and 60% moisture, 10 mesh and 32 ºC, respectively, inoculated with A. niger. For CMCases, the highest productions were verified in the central point repetitions (70% moisture, 12 mesh, 30 ºC), also for the treatments inoculated with A. niger, whose values ranged from 23.10 ± 0.34 U.mL?¹ to 26.72 ± 0.45 U.mL?¹. While for FPases, the highest values obtained were observed in the assays inoculated with T. asperellum, ranging from 24.92 ± 1.87 U.mL?¹ to 35.46 ± 1.77 U.mL?¹, also for the central point treatments. Additionally, the data were statistically processed through analysis of variance (ANOVA) and multiple linear regression, making it possible to find model equations that represent most of the data obtained within the intervals considered in the study, as well as to evaluate the presence of curvature and lack of fit inherent to the experimental data. In this way, the study enabled the understanding of the main characteristics of brewer’s spent grain and the evaluation of amylase, CMCase, and FPase activities, demonstrating that the substrate characteristics, cultivation conditions, especially temperature, moisture, and particle size, as well as the microorganisms employed, are essential factors in the process