Produção de etanol e pectinase por Kluyveromyces marxianus CCT 4086 utilizando resíduos do processamento de café (Coffea arabica L.)

Abstract

O café é um dos principais produtos agrícolas do Brasil, de importância mundialmente reconhecida. A obtenção de uma bebida de qualidade requer um adequado processamento pós-colheita, que pode ser realizado por via seca ou via úmida, em que são gerados os resíduos casca e polpa de café, respectivamente. Direcionar os resíduos do café aplicando-os em processos biotecnológicos pode ser uma alternativa viável, ecológica e ecomicamente. Partindo desse pressuposto, este trabalho foi realizado com o objetivo verificar a viabilidade científica do uso da polpa de café, gerada durante o processamento por via úmida, na produção de etanol, utilizando-se a levedura Kluyveromyces marxianus CCT 4086 como agente fermentativo. Nos passos iniciais, a polpa de café foi caracterizada e estudaram-se formas de obtenção de uma fase líquida a partir dessa matéria-prima. A sua composição, rica em carboidratos, classificou esse resíduo como potencial substrato para a obtenção de etanol. Dentre as diferentes formas de extração, a mais eficiente (menor consumo de energia, baixas concentrações de polifenóis e satisfatórios teores de açúcares) foi a trituração a frio, seguida de prensagem. A fase líquida da polpa de café originada foi fermentada por Kluyveromyces marxianus CCT 4086 como única fonte de carboidrato ou como diluente de caldo ou de melaço de cana-de-açúcar. Os resultados evidenciaram que a fase líquida da polpa de café não influenciou a obtenção de etanol por Kluyveromyces marxianus CCT 4086, podendo ser utilizada como diluente em meios de cultura destinados a essa finalidade. Esta fase também foi utilizada na elaboração de meios para a produção de poligalacturonase pela levedura em estudo, obtendo-se elevadas concentrações dessa enzima (18 U.g -1 ) quando o teor desse material de 80% (v/v) foi utilizado. Pensando na obtenção de etanol a partir da fração lignocelulósica da polpa de café, estudaram-se diferentes maneiras de pré-tratar alcalinamente a fase sólida (proveniente da trituração e prensagem da polpa de café), com o objetivo de remover a lignina e facilitar a hidrólise da celulose em glicose. Para tanto, utilizou-se um delineamento composto central rotacional, a fim de se otimizar o pré-tratamento alcalino da fase sólida da polpa de café, assumindo como variáveis independentes: concentração de hidróxido de sódio, concentração de hidróxido de cálcio e tempo de pré-tratamento e, como variáveis respostas, a capacidade de hidrólise do material pré-tratado, medida em termos da concentração de glicose e conversão da celulose em glicose. Os resultados demontraram que o pré-tratamento utilizando 4% (m/v) de hidróxido de sódio, sem hidróxido de cálcio e tempo de 25 minutos de pré-tratamento a 121°C proporcionou os melhores resultados. Também foi estudado o pré-tratamento com NaOH 4% e 28% m/v, em 30 dias de armazenamento, à temperatura ambiente, tendo como variáveis respostas as mesmas analisadas no estudo aquente. Os resultados apontaram que o uso de NaOH 4% m/v, após 30 dias de armazenamento, apresentou bons resultados, o que viabiliza o processo de pré- tratamento, por não necessitar da etapa de aquecimento. A fase sólida da polpa de café pré-tratada alcalinamente foi submetida à hidrólise e à fermentação por três diferentes tipos de processos: hidrólise e fermentação separadas (SHF), hidrólise e fermentação semissimultâneas (SSSF) e hidrólise e fermentação simultâneas (SSF), sendo a hidrólise realizada pelas enzimas celulase, ȕ- glucosidase e xilanase e a levedura Kluyveromyces marxianus CCT 4086. Os processos que produziram maiores concentrações finais de etanol foram os processos SHF (21,77 g.L -1 ) e SSSF (21,66 g. L -1 ). Os resultados obtidos neste trabalho apontam para uma nova aplicabilidade biotecnológica da polpa de café: a obtenção de etanol utilizando sua fração líquida e sólida, tendo como agente fermentativo a levedura Kluyveromyces marxianus CCT 4086.

Coffee is one of Brazil's main agricultural products of globally recognized importance. Obtaining a drink requires adequate quality post-harvest processing which may be performed dry or wet, in which the peel and pulp coffee wastes are generated, respectively. Using the coffee waste by applying it in biotechnological processes can be viable, ecological and economical. Based on this assumption, this study was carried out to verify the scientific feasibility of using coffee pulp generated during wet processing, for the production of ethanol using the yeast Kluyveromyces marxianus CCT 4086 as fermentation agent. In the initial steps, the pulp coffee was characterized and studied in order to obtain a liquid phase from this feedstock. The composition, rich in carbohydrates, classified this residue as a potential substrate for ethanol production. Among the different forms of extraction, the most efficient (less energy consumption, low concentrations of polyphenols and satisfactory sugars) was trituration followed by cold pressing. The liquid phase originated from coffee pulp was fermented by Kluyveromyces marxianus CCT 4086 as the sole carbohydrate source or as a molasses or cane sugar broth thinner. The results showed that the liquid phase of the coffee pulp did not affect the production of ethanol by Kluyveromyces marxianus CCT 4086, and can be used as a diluent in culture media intended for that purpose. This phase was also used in the preparation of media for the production of polygalacturonase by the yeast under study, resulting in high concentrations of this enzyme (18 U.g -1 ) where the content of this material of 80% (v/v) was used. Seeking to obtain ethanol from lignocellulosic fraction of coffee pulp, different ways were studied to pre-treat, alkalinically, the solid phase (from the crushing and pressing of coffee pulp), with the goal of removing lignin and facilitate hydrolysis of cellulose to glucose. For this purpose, we used a central composite rotatable design in order to optimize the alkali pretreatment of the solid phase of the coffee pulp, assuming as independent variables: sodium hydroxide concentration, calcium hydroxide concentration and pretreatment time and as response variables, the ability of hydrolysis of pre-treated material, measured in terms of glucose concentration and conversion of cellulose to glucose. The results demonstrated that the pretreatment using 4% (w/v) sodium hydroxide, without calcium hydroxide and a pretreatment time of 25 min at 121° C gave the best results. We also studied the pretreatment with 4% NaOH and 28% w / v in 30 days storage at room temperature, using the same response variables analyzed in the hot study. The results showed that the use of NaOH 4% m / v after 30 days of storage showed good results, thus justifying the pretreatment for not requiring the heating step. The solid phase of the coffee pulp pretreated alkalinically was subjected to hydrolysis and fermentation by three different processes: separate hydrolysis andfermentation (SHF), semi-simultaneous saccharification and fermentation (SSSF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF), the hydrolysis being conducted by cellulase, xylanase and ȕ-glucosidase enzymes and the Kluyveromyces marxianus CCT 4086 yeast. The processes that produce higher final concentrations of ethanol were the processes SHF (21.77 g.L -1 ) and SSSF (21.66 g. L -1 ). The results of this study suggest a new biotechnological applicability for coffee pulp: the production of ethanol using its liquid and solid fraction having the yeast Kluyveromyces marxianus CCT 4086 as fermentative agent.