Avaliação da bioconversão de ácido ferúlico em aromas vaniloides por leveduras isoladas da biodiversidade latino-americana

Abstract

Diversos estudos vêm sendo conduzidos com o objetivo principal de produzir aditivos alimentícios por via biotecnológica, através da utilização de microrganismos. Aromas produzidos biotecnologicamente, além de serem legalmente classificados como naturais, apresentam diversas vantagens quando comparados aos métodos tradicionais como maior pureza óptica, melhores características sensoriais e a possibilidade de serem produzidos continuamente. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal avaliar a obtenção biotecnológica de aromas vaniloides como ácido vanílico, vanilina e 4-vinilguaiacol por linhagens de diferentes gêneros de levedura a partir de ácido ferúlico em meio sintético. Oito das nove linhagens testadas (88 %) apresentaram capacidade de assimilação de ácido ferúlico, entretanto, somente 3 foram capazes de converter o substrato em compostos de aroma. As linhagens selecionadas de Rhodotorula mucilaginosa (UFMG-CM-Y3647, UFMG-CM-Y2190, UFMG-CM-Y665) foram avaliadas em experimentos em frascos para investigar a influência do pH inicial e um cultivo em dois estágios foi conduzido visando a máxima obtenção de ácido vanílico, vanilina e 4-vinilguaiacol. O pH foi observado como parâmetro significativo (p < 0,05) na bioconversão de ácido ferúlico, em que condições de pH < 6,0 favoreceram a produção de ácido vanílico, com máxima concentração de 1,14 ± 0,02 e 1,25 ± 0.03 g.L-1 para as linhagens UFMG-CM-Y3647 e UFMG-CM-Y2190, respectivamente. O cultivo em dois estágios favoreceu a produção de 4-vinilguaiacol para a maioria das linhagens, sendo a linhagem UFMG-CM-Y2190 a melhor produtora, com acúmulo de 1,63 ± 0,09 g.L-1 após 55 h, resultando em uma produtividade volumétrica de 29,59 ± 1,55 mg.(L‧h)-1. O aumento na concentração de glicose não demonstrou efeito positivo na produção de ácido vanílico, mas foi possível observar sua influência na modulação do metabolismo das linhagens. A linhagem R. mucilaginosa UFMG-CM-Y3647 foi selecionada para experimentos em biorreator, em que foram avaliadas condições de pH controlado (5,5 e 6,5) e diferentes aerações foram testadas, com o objetivo de aumentar a produção e os parâmetros cinéticos de ácido vanílico. A condição de pH controlado em 5,5 e aeração de 2,5 vvm foi definida como a melhor para obtenção da máxima produtividade do metabólito, em que foi observada a produção de 1,20 ± 0,02 g.L-1, com rendimento molar de 78 % e produtividade calculada de 40,82 ± 0,57 mg.(L‧h)-1. Em seguida, as linhagens UFMG-CM-Y3647 e UFMG-CM-Y2190 foram cultivadas hidrolisado ácido de casca de arroz e casca de aveia, com o objetivo de produzir ácido vanílico e vanilina em resíduos agroindustriais. Ambas leveduras apresentaram boa adaptação ao hidrolisado, indicando seu potencial de uso. A levedura UFMG-CM-Y3647 apresentou melhores resultados com relação à degradação de compostos fenólicos, especificamente ácido ferúlico, variando entre 20 % no hidrolisado de casca de arroz e 68 % no hidrolisado de casca de aveia. Embora os resultados de produtividade não tenham apresentado diferenças significativas, observou-se que a máxima produção de ácido vanílico pela levedura R. mucilaginosa UFMG-CM-Y3647, de 7,43 ± 1,57 mg.L-1 no hidrolisado de casca de arroz e 11,75 ± 1,68 g.L-1 para o hidrolisado de cascas de aveia, foi obtida após 24 h de cultivo, resultando em uma produtividade de 0,31 ± 0,07 mg.(L‧h)-1 e 0,49 ± 0,07 mg.(L‧h)-1, respectivamente. Este é o primeiro trabalho avaliando o potencial de utilização de linhagens de Rhodotorula mucilaginosa em hidrolisados de casca de arroz e casca de aveia visando a produção de compostos de aroma.

Several studies have been conducted aiming the production of food additives by biotechnological route, through the use of microorganisms. Aromas produced biotechnologically, besides being legally classified as 'natural', have several advantages when compared to traditional methods such as higher optical purity, better sensory characteristics and the possibility of being produced continuously. Within this context, this work aimed to evaluate the biotechnological production of vanilloid aromas such as vanillic acid, vanillin and 4-vinylguaiacol by different yeast strains from ferulic acid in a synthetic medium. Eight of the nine strains tested (88%) showed the ability to assimilate ferulic acid, however, only 3 were able to convert the substrate into aroma compounds. Selected strains of Rhodotorula mucilaginosa (UFMG-CM-Y3647, UFMG-CM-Y2190, UFMG-CM-Y665) were evaluated in flask experiments to investigate the influence of initial pH and a two-step process was carried out aiming to maximize vanillic acid, vanillin and 4-vinylguaiacol production. The pH was found to be significantly important (p < 0.05) for ferulic acid bioconversion, in which conditions of pH < 6.0 favored the production of vanillic acid, with maximum concentration of 1.14 ± 0.02 and 1.25 ± 0.03 g.L-1 for UFMG-CM-Y3647 and UFMG-CM-Y2190, respectively. Two-step process favored the production of 4-vinylguaiacol for most strains, with UFMG-CM-Y2190 being the best producer, with accumulation of 1.63 ± 0.09 g.L-1 after 55 h, resulting in a volumetric productivity (QVG) of 29.59 ± 1.55 mg. (L‧h)-1. The increase in glucose concentration did not show a positive effect on vanillic acid production, but it was possible to observe its influence on the metabolism modulation of strains. R. mucilaginosa UFMG-CM-Y3647 was selected for experiments in a 2-L bioreactor, in which conditions of controlled pH (5.5 and 6.5) were evaluated and different aerations were tested, aiming to maximize vanillic acid production and its kinetic parameters. pH-controlled at 5.5 and aeration of 2.5 vvm was defined as the best condition to obtain maximum metabolite productivity, whereas the production of 1.20 ± 0.02 g.L-1 was observed after 30 h, with a molar yield 78% and calculated productivity of 40.82 ± 0.57 mg.(L‧h)-1. Furthermore, the strains UFMG-CM-Y3647 and UFMG-CM-Y2190 were grown in an acid hydrolyzed medium of oat husk and rice husk, aiming to produce vanillic acid and vanillin from agro-industrial residues. Both yeasts showed good adaptation to hydrolysate, indicating its use potential. UFMG-CM-Y3647 showed better results upon degradation of phenolic compounds, specifically ferulic acid, varying between 20% in rice husk hydrolysate and 68% in oat husk hydrolysate. Although productivity results have not shown significant differences, we noticed that maximum production of vanillic acid by R. mucilaginosa UFMG-CM-Y3647, 7.43 ± 1.57 mg.L-1 in rice husk hydrolysate and 11.75 ± 1.68 mg.L-1 in oat husk hydrolysate, were achieved after 24 h of culture, resulting in a productivity of 0.31 ± 0.07 mg.(L‧h)-1 and 0.49 ± 0.07 mg.(L‧h)-1, respectively. This is the first work evaluating the potential of Rhodotorula mucilaginosa strains in rice husks and oat husks hydrolysate to produce aroma compounds.