Sistema multienzimático inovador para a produção de ácido glicônico a partir de amido usando células inteiras de Aspergillus niger
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19184 |
Resumo: | Gluconic acid occurs naturally in a wide variety of foods, including fruit, honey, wine, rice, meat and other naturally fermented products. Because of its versatility and biodegradability, it has many applications in the food and beverage, pharmaceutical, and detergent industries. Although fermentation has been used for several decades, there are still drawbacks and challenges associated with the process. Fermentation processes often result in lower yields than chemical synthesis methods and require specific nutrients for the growth and metabolic activity of microorganisms. In addition, gluconic acid produced by fermentation can produce by-products, including other acids and organic compounds, which must be removed in the product purification stage, increasing the overall cost and complexity of the process. As an alternative to the fermentation processes, gluconic acid can be produced by whole-cell biocatalysis. Whole-cell biocatalysis uses intact microbial cells to perform specific chemical transformations or produce desired compounds. This approach differs from fermentation because microbial cells are used as biocatalysts under non-growth conditions. This study began with a literature review aimed at identifying and analyzing previous studies on the production of gluconic acid by whole-cell biocatalysis, as well as the microorganisms, substrates, and enzymes involved in this process. This review enabled the selection of starch, one of the most abundant natural polysaccharides, to produce gluconic acid. In the present study, an innovative single-step multi-enzymatic system for gluconic acid production from starch using whole-cells of Aspergillus niger associated with amylolytic enzymes was proposed. High yields of gluconic acid with high product purity were obtained, e.g., a gluconic acid concentration of 134.5 ± 4.3 g/L, a gluconic acid yield of 98.2 ± 1.3%, a biocatalyst yield of 44.8 ± 1.4 ggluconic acid/gwhole-cells and a product purity (~96%) were achieved during a 96 h reaction. Although the process was developed using starch as the raw material, the approach has the potential to be applied to other substrates or residues that can be hydrolyzed to glucose. Therefore, the proposed multienzyme system opens new perspectives for gluconic acid production by whole-cell biocatalysis. |
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Queiroz Pucci, Emanoela FernandaTardioli, Paulo Waldirhttp://lattes.cnpq.br/0808991927126468Badino Junior, Alberto Collihttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018http://lattes.cnpq.br/1899922534133807https://orcid.org/0000-0002-0081-2370https://orcid.org/0000-0002-5011-9881https://orcid.org/0000-0001-8350-98462024-02-05T16:58:29Z2024-02-05T16:58:29Z2023-11-28QUEIROZ PUCCI, Emanoela Fernanda. Sistema multienzimático inovador para a produção de ácido glicônico a partir de amido usando células inteiras de Aspergillus niger. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19184.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19184Gluconic acid occurs naturally in a wide variety of foods, including fruit, honey, wine, rice, meat and other naturally fermented products. Because of its versatility and biodegradability, it has many applications in the food and beverage, pharmaceutical, and detergent industries. Although fermentation has been used for several decades, there are still drawbacks and challenges associated with the process. Fermentation processes often result in lower yields than chemical synthesis methods and require specific nutrients for the growth and metabolic activity of microorganisms. In addition, gluconic acid produced by fermentation can produce by-products, including other acids and organic compounds, which must be removed in the product purification stage, increasing the overall cost and complexity of the process. As an alternative to the fermentation processes, gluconic acid can be produced by whole-cell biocatalysis. Whole-cell biocatalysis uses intact microbial cells to perform specific chemical transformations or produce desired compounds. This approach differs from fermentation because microbial cells are used as biocatalysts under non-growth conditions. This study began with a literature review aimed at identifying and analyzing previous studies on the production of gluconic acid by whole-cell biocatalysis, as well as the microorganisms, substrates, and enzymes involved in this process. This review enabled the selection of starch, one of the most abundant natural polysaccharides, to produce gluconic acid. In the present study, an innovative single-step multi-enzymatic system for gluconic acid production from starch using whole-cells of Aspergillus niger associated with amylolytic enzymes was proposed. High yields of gluconic acid with high product purity were obtained, e.g., a gluconic acid concentration of 134.5 ± 4.3 g/L, a gluconic acid yield of 98.2 ± 1.3%, a biocatalyst yield of 44.8 ± 1.4 ggluconic acid/gwhole-cells and a product purity (~96%) were achieved during a 96 h reaction. Although the process was developed using starch as the raw material, the approach has the potential to be applied to other substrates or residues that can be hydrolyzed to glucose. Therefore, the proposed multienzyme system opens new perspectives for gluconic acid production by whole-cell biocatalysis.O ácido glicônico ocorre naturalmente numa variedade de alimentos, incluindo frutas, mel, vinho, arroz, carne e produtos fermentados naturalmente. Devido à sua versatilidade e biodegradabilidade, esse ácido orgânico tem muitas aplicações nas indústrias de alimentos e bebidas, farmacêutica e de detergentes. Embora a fermentação tenha sido utilizada durante várias décadas, existem ainda inconvenientes e desafios associados a este processo. Os processos de fermentação resultam frequentemente em rendimentos inferiores aos dos métodos de síntese química e requerem nutrientes específicos para o crescimento e a atividade metabólica dos microrganismos. Além disso, a produção de ácido glicônico por fermentação pode produzir subprodutos, incluindo outros ácidos e compostos orgânicos, que têm de ser removidos na etapa de purificação do produto, aumentando o custo global e a complexidade do processo. Alternativamente ao processo de fermentação, o ácido glicônico pode ser produzido por biocatálise a partir de células inteiras. A biocatálise utilizando células inteiras envolve células microbianas intactas para realizar transformações químicas específicas ou produzir compostos desejados. Esta abordagem diferencia-se dos processos de fermentação porque as células do microrganismo são aplicadas sob condições de não crescimento como biocatalisadores. Esse estudo se iniciou com uma revisão da literatura cujo objetivo foi identificar e analisar estudos anteriores sobre a produção de ácido glicônico utilizando-se biocatálise de células inteiras, bem como os microrganismos, substratos e enzimas envolvidos neste processo. Esta revisão permitiu a seleção do amido, um dos polissacáridos naturais mais abundantes, para a produção de ácido glicônico. No presente estudo, foi proposto um sistema multienzimático inovador, numa única fase, para a produção de ácido glicônico a partir de amido, utilizando células inteiras de Aspergillus niger associadas a enzimas amilolíticas. Foram obtidos rendimentos elevados de ácido glicônico com elevada pureza do produto, por exemplo, concentração de ácido glicônico de 134,5 ± 4,3 g/L, rendimento de ácido glicônico de 98,2 ± 1,3%, rendimento do biocatalisador de 44,8 ± 1,4 gácido glicônico/gcélulas inteiras e pureza do produto (96%) durante uma reação de 96 h. Embora o processo tenha sido desenvolvido utilizando o amido como matéria-prima, a abordagem tem potencial para outros substratos ou resíduos que possam ser hidrolisados em glicose. Portanto, o sistema multienzimático proposto abre novas perspectivas para produção de ácido glicônico por biocatálise de células inteiras.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.341822/2019-00engUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCélulas inteirasBiocatalisadorAspergillus nigerAmidoSistema multienzimáticoÁcido glicônicoEnzimas amilolíticasWhole-cellsBiocatalystStarchMultienzyme systemGluconic acidAmylolytic enzymesENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICASistema multienzimático inovador para a produção de ácido glicônico a partir de amido usando células inteiras de Aspergillus nigerAn innovative multi-enzymatic system for gluconic acid production from starch using Aspergillus niger whole-cellsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese de Doutorado_Emanoela Fernanda Queiroz Pucci.pdfTese de Doutorado_Emanoela Fernanda Queiroz Pucci.pdfapplication/pdf5323588https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19184/1/Tese%20de%20Doutorado_Emanoela%20Fernanda%20Queiroz%20Pucci.pdfd6bd2e3f1d994155ca70372843798b91MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19184/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTTese de Doutorado_Emanoela Fernanda Queiroz Pucci.pdf.txtTese de Doutorado_Emanoela Fernanda Queiroz Pucci.pdf.txtExtracted texttext/plain278699https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19184/3/Tese%20de%20Doutorado_Emanoela%20Fernanda%20Queiroz%20Pucci.pdf.txtbb19b660d66e7eb4be1aa4b53de2e196MD53ufscar/191842024-05-14 17:29:56.76oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19184Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:29:56Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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