Fermentação e cofermentação de glicose, xilose e arabinose por Meyerozyma caribbica

Abstract

Uma das soluções para a descarbonização do setor de transportes é a utilização de biocombustíveis, uma vez que o carbono liberado na queima desses é reabsorvido durante o crescimento das plantas. Uma das problemáticas quanto à produção de biocombustíveis, contudo, é a possível competição entre essa e a indústria de alimentos por matéria-prima. Os combustíveis de segunda geração (2G) destacam- se como possíveis soluções para que ambas as indústrias consigam utilizar seus insumos. Nesses, a produção é feita a partir de resíduos alternativos que não seriam utilizados pela indústria alimentícia. A diversidade de carboidratos da matriz lignocelulósica é o principal empecilho para a produção de bioetanol 2G. Busca-se com esse intuito leveduras que sejam capazes de fermentar a maior quantidade possível de carboidratos e possuam outras vantagens para produção de biocombustíveis, como alto rendimento e resistência ao etanol gerado. A Meyerozyma caribbica, levedura prospectada para esse estudo, demonstrou em artigos de literatura capacidade de fermentar isoladamente pentoses e hexoses, além de um possível mecanismo para resistência a álcoois baseados na presença de transportadores da família dos facilitadores maioritários na membrana celular, previamente caracterizada pelo nosso grupo de pesquisa. Assim sendo, o objetivo desse trabalho é avaliar se a M. caribbica é capaz de fermentar e cofermentar pentoses e hexoses eficientemente, mantendo uma boa resistência ao etanol gerado. Para isso, a levedura foi inoculada em meio contendo os carboidratos (glicose, xilose e arabinose) individualmente e em conjunto, sendo medido o consumo desses e a produção de etanol ao final do processo. Além disso, também foram testadas diferentes concentrações de etanol (de 0 a 16%), a fim de avaliar a capacidade de sobrevivência da levedura. A levedura manteve viabilidade e crescimento até 8% (v/v) de etanol. Notou-se que a Meyerozyma caribbica foi incapaz de fermentar simultaneamente glicose e pentoses, consumindo preferencialmente a glicose presente no meio. Além disso, a levedura apresentou baixa taxa de conversão de substrato a etanol a partir de glicose (0,19 g.g -1 ) se comparado com as leveduras controles (Saccharomyces cerevisiae e Kluyveromyces marxianus). Na fermentação de xilose, por outro lado, a levedura produziu grande quantidade de xilitol, com eficiência de fermentação de 79% em relação ao valor teórico. Desse modo, pôde-se concluir que, para utilização em resíduos lignocelulósicos, a levedura ainda deve ser aprimorada ou melhor caracterizada para maior expressão da enzima xilitol desidrogenase, podendo assim ocorrer a conversão do xilitol para xilulose e, a partir dessa, etanol. Outra possível alternativa é a revisão do objetivo para que a levedura seja utilizada na produção de xilitol, um adoçante natural amplamente utilizado na indústria de alimentos. Palavras-chave: Xilitol. Bioetanol. Resíduos lignocelulósicos. Levedura.

A possible solution for the decarbonization of the transport sector is the use of biofuels, since the carbon released when burning them is reabsorbed during plant growth. One of the problems regarding the production of biofuels, however, is the possible competition between this and the food industry for raw materials. Second generation fuels (2G) stand out as possible solutions for both industries, as they are able to use their inputs. In these, production is made from alternative waste that would not be used by the food industry. The carbohydrate diversity of the lignocellulosic matrix is the main obstacle for the production of 2G bioethanol. For this purpose, there’s a need to search yeasts that are capable of fermenting the highest possible amount of carbohydrates and have other advantages for the production of biofuels, such as high yield and resistance to the ethanol generated. Meyerozyma caribbica, the yeast prospected for this study, demonstrated in literature articles the ability to ferment pentoses and hexoses in isolation, as well as a possible mechanism for resistance to alcohols based on the presence of transporters from the family of major facilitators in the cell membrane, previously characterized by our research team. Therefore, the objective of this work is to evaluate whether M. caribbica is capable of fermenting and co-fermenting pentoses and hexoses efficiently, maintaining a good resistance to the generated ethanol. For this, the yeast was inoculated in a medium containing carbohydrates (glucose, xylose and arabinose) individually and together, and their consumption and ethanol production were measured at the end of the process. In addition, different concentrations of ethanol (from 0 to 16%) were also tested in order to evaluate the yeast's ability to survive. The yeast maintained viability and growth up to 8% (v/v) ethanol. It was noted that Meyerozyma caribbica was unable to simultaneously ferment glucose and pentoses, preferentially consuming the glucose present in the medium. In addition, the yeast showed a low conversion rate of substrate to ethanol from glucose (0.19 g.g-1) compared to control yeasts (Saccharomyces cerevisiae and Kluyveromyces marxianus). In the xylose fermentation, on the other hand, the yeast produced a large amount of xylitol, with a fermentation efficiency of 79% in relation to the theoretical value. Thus, it could be concluded that, for use in lignocellulosic residues, the yeast still needs to be improved or better characterized for greater expression of the enzyme xylitol dehydrogenase, thus allowing the conversion of xylitol to xylulose and, from this, ethanol. Another possible alternative is to revise the objective for yeast to be used in the production of xylitol, a natural sweetener widely used in the food industry. Keywords: Xylitol. Bioethanol. Lignocellulosic residues. Yeast.