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Type: Dissertação
Title: Produção e aplicação de amilases por Aspergillus awamori: uma alternativa para a hidrólise enzimática de altas cargas de milho extrudado
Author(s)/Inventor(s): Souza, Lucas Vieira de
Advisor: Teixeira, Ricardo Sposina Sobral
Co-advisor: Ferreira-Leitão , Viridiana Santana
Abstract: A produção de etanol de milho no Brasil pode atingir 8,2 bilhões de litros na safra 2024/2025 e baseia-se na hidrólise enzimática do amido para obtenção de açúcares fermentáveis. Como alternativa ao processo convencional, a extrusão a seco do milho favorece a desestruturação do amido e a hidrólise enzimática em condições mais brandas. Este estudo investigou a produção de -amilase e glucoamilase por Aspergillus awamori em diferentes meios de cultivo submerso e sua aplicação na hidrólise enzimática com 30% e 40% de sólidos. Seis meios de cultura foram testados com diferentes fontes de carbono e nitrogênio. Os melhores resultados foram obtidos com os meios M4 (5% de amido comercial, 1,17% de sulfato de amônio e 0,1% de extrato de levedura) e M6 (3% de milho moído, 1% de extrato de levedura e 0,3% de nitrato de sódio), que apresentaram a maior produção de glucoamilase e alfa-amilase, respectivamente. A razão α-amilase:glucoamilase variou de 1,3:1 (M4) a 10,9:1 (M6), sendo o M4 selecionado para screening dos componentes do meio de cultivo via Plackett-Burman devido a razão entre amilases próxima de 1 ser indicada para realização da liquefação e sacarificação simultânea. O delineamento resultou em aumento de 74% na produção enzimática em relação ao meio original M4, atingindo cerca de 170 UI/mL de -amilase e 140 UI/mL de glucoamilase, constituindo o meio PB4 (7,5% de amido comercial, 0,585% de sulfato de amônio e 0,15% de extrato de levedura). Portanto, foi alcançado uma alta atividade de glucoamilase e uma razão de - amilase:glucoamilase que permitiu o estudo de liquefação e sacarificação simultâneas do amido do milho extrudado. A produção em biorreator de 10 L confirmou a viabilidade de escalonamento do processo. Na hidrólise com cargas enzimáticas de 66 UI e 131 UI - amilase/g de biomassa, rendimentos semelhantes em períodos de 9 e 24 horas, indicando potencial redução no uso de enzimas e no tempo. As amilases mantiveram estabilidade térmica até 65 °C, com desnaturação parcial a 80 °C. A otimização da hidrólise enzimática foi realizada por delineamento composto central rotacional, avaliando os efeitos de pH e temperatura por 24 h de reação (200 rpm e carga de 66 UI/g de enzima). A temperatura foi o principal fator até 6 h, enquanto o pH ácido favoreceu a estabilidade após 9 h, conduzindo a rendimentos próximos de 80% após 24 h. O modelo matemático obtido foi validado experimentalmente, com rendimento ótimo de 82,34% ± 1,25 em pH 3,84 e 55,4 °C, estatisticamente equivalente ao valor teórico (teste t-Student, 10%). O resíduo sólido da hidrólise apresentou 56% de glucana e 12% de óleo, sendo o óleo composto majoritariamente por ácido linoleico (56%), indicando alto potencial econômico na recuperação de coprodutos da hidrólise.
Abstract: Corn ethanol production in Brazil could reach 8.2 billion liters in the 2024/2025 harvest and is based on the enzymatic hydrolysis of starch to obtain fermentable sugars. As an alternative to the conventional process, dry extrusion of corn favors starch breakdown and enzymatic hydrolysis under milder conditions. This study investigated the production of α-amylase and glucoamylase by Aspergillus awamori in different submerged culture media and its application in enzymatic hydrolysis with 30% and 40% solids. Six culture media were tested with different carbon and nitrogen sources. The best results were obtained with media M4 (5% commercial starch, 1.17% ammonium sulfate, and 0.1% yeast extract) and M6 (3% ground corn, 1% yeast extract, and 0.3% sodium nitrate), which showed the highest production of glucoamylase and alpha-amylase, respectively. The α-amylase:glucoamylase ratio ranged from 1.3:1 (M4) to 10.9:1 (M6), with M4 being selected for screening of the culture medium components via Plackett-Burman due to the ratio between amylases close to 1 being indicated for simultaneous liquefaction and saccharification. The design resulted in a 74% increase in enzyme production compared to the original M4 medium, reaching approximately 170 IU/mL of α-amylase and 140 IU/mL of glucoamylase, constituting the PB4 medium (7.5% commercial starch, 0.585% ammonium sulfate, and 0.15% yeast extract). Therefore, high glucoamylase activity and an α- amylase:glucoamylase ratio were achieved, allowing the study of simultaneous liquefaction and saccharification of extruded corn starch. Production in a 10 L bioreactor confirmed the feasibility of scaling up the process. In hydrolysis with enzyme loads of 66 IU and 131 IU α- amylase/g of biomass, similar yields were obtained in periods of 9 and 24 hours, indicating a potential reduction in enzyme use and time. The amylases maintained thermal stability up to 65 °C, with partial denaturation at 80 °C. Enzymatic hydrolysis was optimized using a central composite rotational design, evaluating the effects of pH and temperature for 24 h of reaction (200 rpm and a load of 66 IU/g of enzyme). Temperature was the main factor up to 6 h, while acidic pH favored stability after 9 h, leading to yields close to 80% after 24 h. The mathematical model obtained was validated experimentally, with an optimal yield of 82.34% ± 1.25 at pH 3.84 and 55.4 °C, statistically equivalent to the theoretical value (Student's t-test, 10%). The solid residue from hydrolysis contained 56% glucan and 12% oil, with the oil consisting mainly of linoleic acid (56%), indicating high economic potential in the recovery of hydrolysis coproducts.
Keywords: Aspergillus awamori
Amilases
Hidrólise
Extrusão
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: SOUZA, Lucas Vieira de. Produção e aplicação de amilases por Aspergillus awamori: uma alternativa para a hidrólise enzimática de altas cargas de milho extrudado. 2025. 151 f. Dissertação (Mestrado em Bioquímica) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
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