Precipitação da Goma Xantana

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UNIVERSIDADE TIRADENTES – UNIT PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL PRECIPITAÇÃO DA GOMA XANTANA: REVISÃO DE LITERATURA Discente: Sabrina Maria Rodrigues Jacinto Costa

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UNIVERSIDADE TIRADENTES – UNIT

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

PRECIPITAÇÃO DA GOMA XANTANA: REVISÃO DE LITERATURA

Discente: Sabrina Maria Rodrigues Jacinto Costa

ARACAJU – SEAGOSTO, 2011

Page 2: Precipitação da Goma Xantana

SUMÁRIO

PÁG.

1. INTRODUÇÃO...............................................................................................3

2. DESENVOLVIMENTO...................................................................................6

2.1Xantomonas campestris............................................................................... 6

2.2 GOMA XANTANA........................................................................................ 7

2.2.1 PROPRIEDADES..................................................................................... 9

2.2.2 PRODUÇÃO............................................................................................. 10

2.2.3 RECUPERAÇÃO DO BIOPOLÍMERO...................................................... 12

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS..........................................................................15

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................16

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1. INTRODUÇÃO

Os polissacarídeos são polímeros constituídos de várias unidades de

monossacarídeos. Até a década de cinqüenta, eram conhecidos somente os

polissacarídeos de origem de plantas terrestres e marinhas; entretanto, foi nesta

mesma década que foram descobertos os polissacarídeos de origem microbiana. As

bactérias utilizam os polissacarídeos principalmente para proteção em geral, quer

seja contra o ataque de fagócitos e bacteriófagos, quer seja contra a dessecação

(Rottava et al., 2009).

No entanto, os humanos logo perceberam que poderiam utilizá-los para

seu benefício formando soluções viscosas em meio aquoso até mesmo em

concentrações baixas, sendo que, se realizada em condições controladas de

fermentação, a produção desses polímeros garante um material de qualidade (Salah

et al., 2009).

Os microrganismos são capazes de produzir uma gama de estruturas

químicas, tais como polímeros hidrossolúveis com diferentes propriedades, ou seja,

polissacarídeos solúveis em água, sendo que, independente de sua origem (vegetal,

animal ou microbiológica), são denominados gomas (Luvielmo e Scamparini, 2009).

Goma é o termo comum para polissacarídeos coloidais hidro-gel, que

apresentam afinidade com água e apresentam propriedades de ligação com água e

outros materiais orgânicos e inorgânicos. Tradicionalmente, as gomas foram

derivados de uma ampla variedade de plantas. Quimicamente gomas são polímeros

de carboidratos ou polissacarídeos. Os polissacarídeos estão presentes em todas as

formas de vida. Eles têm um número de propriedades únicas físico- químicas. Eles

servem como material estrutural para o reino vegetal, como a reserva de energia,

como adesivos e também como agentes de transferência de informações (Palaniraj

e Jayaraman, 2011).

Os benefícios dos biopolímeros estão ligados às propriedades físico-

químicas reprodutíveis, custo e suprimentos estáveis. Para aplicação industrial, vêm

sendo pesquisados os polissacarídeos extracelulares, por apresentarem processos

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de extração e purificação mais simples e maior produtividade (Stredansky et al.,

1999; Sutherland, 1999).

Os biopolímeros apresentam utilidade em vários setores industriais como

indústria alimentícia, de petróleo, termoquímica, têxtil, farmacêutica, de papel,

mineração, tintas, cosméticos e de produtos agropecuários, sendo utilizados por

suas propriedades reológicas (Stredansky et al., 1999; Sutherland, 1999, Scamparini

et al., 2000; Vandame et al., 2010).

Um polissacarídeo muito utilizado é a goma xantana, principalmente a

que é produzida pela Xanthomonas campestris, uma bactéria fitopatogênica com

grande importância comercial. Essas bactérias apresentam forma de bastonetes,

são Gram-negativas e ocorrem isoladas predominantemente. O cultivo em

laboratório das bactérias do gênero Xanthomonas é fácil, pois são aeróbicas e mi-

croaerofílicas, apresentando como temperatura ótima de crescimento entre 25-30°C;

devido ao seu rápido crescimento, produz turbidez em meio líquido com dois a três

dias de fermentação (García-Ochoa et al., 2000).

A goma xantana, produzida por esta espécie, é um biopolímero

apresentando alto peso molecular, normalmente composta de um heptasacarídeo

ramificado, constituído de glicose, manose e ácido glucurônico, aniônico, produzido

por fermentação (Luvielmo e Scamparini, 2009).

A produção de goma microbiana é uma indústria multimilionária devido à

sua estabilidade quanto ao calor, pH, cátions e íons divalentes associoada ao seu

comportamento pseudoplástico sob condições de alto cisalhamento, este

polissacarídeo é o preferido para recuperação de óleo terciária em poços de petróleo

existentes. O preço deste polissacarído chega a custar $7 por libra de peso em

relação ao amido de milho que custa 89 centavos de dólar por libra (Shahjahan,

1983; USDA, 2011).

Devido à grande aplicação da goma xantana e ao seu amplo mercado

mundial, várias pesquisas vêm sendo feitas para otimizar a produção através da

seleção de novas linhagens, da adequação das condições ótimas de crescimento

celular, produção, recuperação e purificação desse polissacarídeo (USDA, 2011).

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O presente estudo teve por objetivo fazer uma revisão bibliográfica sobre

a precipitação da goma xantana.

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2. DESENVOLVIMENTO

2.1Xanthomonas campestris

Bactérias, fungos e leveduras são microorganismos capazes de sintetizar

biopolímeros. A bactéria Xanthomonas sp., um importante produtor de biopolímeros,

pertence ao gênero Xanthomonas da família Pseudomonaceae Todos os

microrganismos desse gênero são fitopatogênicos, com exceção do Xanthomonas

maltophilia (García-Ochoa et al., 2000).

A bactéria Xanthomonas campestris também é fitopatogênica, infectando

uma extensa variedade de plantas, causando a morte destas. Quando esta bactéria

infecta a planta, X. campestris fermenta um agente estabilizante chamado goma

xantana - C35H49O29 , um polissacarídeo de alto peso molecular, que é usado em

muitos produtos do dia-a-dia (Fontaniella et al., 2002).

Estas bactérias são Gram-negativas em forma de bastonete apresetando

dimensões que variam entre 0,7 μm e 2 μm de comprimento e entre 0,4 μm e 0,7 μm

de largura, apresentando motilidade devido à presença de um único flagelo polar

(Cruz, 2009).

Fig. 1 – Micrografia eletrônica de transmissão da X. Campestris (x 12.000)Fonte: García-Ochoa et al., 2000

A grande maioria das espécies forma colônias amarelas, devido à

produção de carotenóides fotoprotetores chamados xantomonadinas, e altamente

mucóides, devido à produção do exopolissacárideo xantana. Este polissacárido

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parece ser essencial à sobrevivência das células bacterianas, oferecendo proteção

contra radiação ultravioleta, congelamento e dessecação (Cruz, 2009).

Fig. 2 – Aspecto da cultura de X. Campestris

Fonte: Google / imagens / Xanthomonas campestris (15/07/2011)

2.2 GOMA XANTANA

A goma xantana é um polissacarídeo natural e um importante biopolímero

industrial. Foi descoberta na década de 60 no NRRL (Northern Regional Research

Laboratories) do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. Ela é sintetizada

por várias espécies do gênero Xanthomonas. O polissacarídeo B-1459, ou goma

xantana, produzida pela bactéria Xanthomonas campestris NRRL B-1459 foi

amplamente estudada devido às suas propriedades que a permitiriam suplementar

outras gomas hidrossolúveis naturais e sintéticas (García-Ochoa et al., 2000).

A goma xantana é um exopolissacarídeo que é aplicada em diferentes

segmentos industriais, principalmente para as indústrias de alimentos,

farmacêuticas, cosméticos, químico e petroquímico, devido à sua propriedade de for-

mar géis e soluções viscosas em meio aquoso (Fontaniella et al., 2002).

Este polissacarídeo é parcialmente acetilado, contém piruvato,

representado 3% do seu peso total, e ligado a uma única unidade de cadeia lateral

de glicose. A xantana contém uma unidade básica repetida de 16 resíduos dos quais

13 estão presentes na linha principal com três resíduos ligados como uma única

unidade de cadeia lateral. As ligações glicosídicas do ácido D-glucurônico estão nas

posições (1-2), já as ligações glicosídicas da D-glicose e D-manose na linha principal

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estão nas posições (1-4). Todas estas ligações são de configuração β. A estrutura

principal do polímero é formada por unidades β-D-glucose, além de cadeia lateral

constituída, respectivamente, de uma molécula de manose, ácido glicurônico e

manose. Aproximadamente metade das unidades de manose terminal carrega um

acido pirúvico, sendo que a unidade de manose ligada à estrutura principal carrega

um grupo acetil, conferindo ao polissacarídeo, característica aniônica (Shahjahan,

1984).

Fig. 3 – Estrutura do polissacarídeo extracelular da X. CampestrisFonte: García-Ochoa et al., 2000

A xantana apresenta propriedades reológicas diferenciadas, se tornando

uma alternativa às gomas tradicionais, tais como: alto grau de pseudoplasticidade,

elevada viscosidade mesmo a baixas concentarções, compatibilidade e estabilidade

com a maioria dos sais metálicos, excelente solubilidade e estabilidade tanto em

meio ácido quanto alcalino, resistência à degradação a elevadas temperaturas,

assim como a oscilações de pH, sendo amplamente utilizadas como geleificantes,

estabilizantes, colóides protetores, espessantes e agentes de suspensão. Sua

produção vem sendo aprimorada nas últimas décadas devido à seleção genética

que vem sendo feita e por melhoramentos no processo experimental (Letisse et al.,

2002).

A goma xantana também é usada para prolongar a vida útil dos poços

de gás e petróleo que deixaram de produzir. Uma solução de água e goma é

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bombeada para dentro da terra para empurrar para fora todo o óleo bruto

restante. Este produto versátil também é empurrado para o chão com areia sob

alta pressão para quebrar rochas em poços de petróleo e gás (USDA, 2011).

A xantana é a goma industrial mais produzida comercialmente, obtida por

fermentação, com uma produção mundial anual de 30.000 toneladas, o que

corresponde a um mercado de 408 milhões dólares (Kalogiannis et al., 2003), e

espera-se atingir uma produção de 80.000 toneladas / ano em 2015 (Carignatto et

al., 2011).

2.2.1 PROPRIEDADES

A goma xantana tem sido um dos polímeros mais utilizados na indústria

alimentícia em todo o mundo. Em 1969, o FDA (Food and Drug Administration)

permitiu a goma xantana em uso geral em alimentos. Em 1973, este mesmo órgão

permitiu o uso deste biopolímero no processo de sorvete como um agente

estabilizante e espessante (Shahjahan, 1984).

Este biopolímero apresenta propriedades físico-químicas que superam

todas as dos outros polissacarídeos disponíveis no mercado. Dentre estas se

destacam sua estabilidade em ampla faixa de temperatura e de pH, mesmo na

presença de sais, bem como sua elevada viscosidade em baixas concentrações

(0,05-1,0%) (Fontaniella et al., 2002; García-Ochoa et al., 2000; Sutherland, 1998).

A faixa de pH em que a goma xantana se apresenta altamente estável é

ampla, se situando entre valores de 2,5 a 11,0. Essa estabilidade depende da

concentração: quanto maior a concentração, maior a estabilidade da solução. A

goma xantana é estável também em um largo intervalo de temperatura, entre 10ºC e

90ºC, e a viscosidade é pouco comprometida na presença de sais (Letisse et al.,

2002).

Outra propriedade importante da solução deste biopolímero é a interação

com galactomananas, polissacarídeos neutros extraídos de sementes de

leguminosas constituídos por cadeia de manose com ramificações de galactose, tais

como as gomas locusta e guar. A adição, à temperatura ambiente, de alguma

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dessas galactomananas numa solução de goma xantana causa sinergismo,

aumentando sua viscosidade (García-Ochoa et al., 2000)

2.2.2 PRODUÇÃO

O cultivo por fermentação de culturas de X. campestris é realizado para

que esta bactéria produza a goma xantana. A produção completa da goma consiste

nas etapas de obtenção do pré-inóculo, inóculo, fermentação, pasteurização,

remoção das células bacterianas, precipitação, separação e secagem da goma

(García-Ochoa et al., 2000).

Para produzir a goma xantana, a bactéria X. campestris precisa de vários

nutrientes, macronutrientes, tais como carbono e nitrogênio e micronutrientes (como

potássio, fósforo, ferro, e cálcio). O meio utilizado deve apresentar os mínimos pré-

requisitos nutricionais para que ocorra a produção da goma pela Xanthomonas que

deve ser composto de uma fonte de carbono (carboidratos), uma fonte de nitrogênio

e uma de fonte de fósforo (Patel e Patel, 2011).

A concentração da fonte de carbono afeta o rendimento de goma xantana,

sendo a glicose e a sacarose as fontes de carbono mais freqüentemente utilizadas.

A rota de síntese da xantana pode ser dividida em três partes: (i) absorção de

açúcares simples e conversão para derivados nucleotídicos, (ii) montagem de

subunidades de pentassacarídeo anexadas a um transportador isopentil pirofosfato,

(iii) polimerização de repetidas unidades de pentassacarídeo e sua secreção

(Luvielmo e Scamparini 2009; Palaniraj e Jayaraman, 2011).

O crescimento dos microrganismos e a produção da goma xantana são

influenciados por fatores tais como o tipo de reator, o modo de operação (batelada

ou contínuo), composição do meio, e as condições da cultura (temperatura, pH e

concentração de oxigênio dissolvido) (García-Ochoa et al., 2000).

No final da fermentação, o caldo contém xantana, células bacterianas e

muitos outros químicos. Para a recuperação da xantana, as células geralmente

removidas primeiro, tanto por filtração quanto por centrifugação A purificação

posterior pode incluir precipitação usando isopropanol, etanol e acetona, adição de

alguns sais e ajuste de pH. Após a precipitação, o produto é desidratado

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mecanicamente e seco. O produto seco é moído e embalado em recipientes com

baixa permeabilidade (Flores-Candia and Deckwer, 1999).

Fig. 4 – Esquema do processo de produção de goma xantana.Fonte: García-Ochoa et al., 2000

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2.2.3 RECUPERAÇÃO DO BIOPOLÍMERO

A obtenção da goma xantana ocorre ao término do processo fermentativo,

quando o polímero é recuperado e purificado. Os métodos utilizados para a

recuperação dos biopolímeros de alguns fatores, como as características do

microorganismo utilizado, do grau de pureza desejado e do tipo de polissacarídeo. O

processo de recuperação da goma xantana representa um importante papel na

economia do processo (Rosalam e England, 2006).

A precipitação do polímero é alcançada através da diminuição da

solubilidade do colóide dissolvido utilizando métodos como a adição de sais, de não-

solventes miscíveis em água e concentração por evaporação. Os álcoois (metanol,

etanol, isopropanol) e acetona, que são não-solventes para o polissacarídeo, podem

ser adicionados ao caldo de fermentação, não só para diminuir a solubilidade até a

que a separação de fases ocorra, mas também para lavar as impurezas, tais como

componentes coloridos, sais e células (Palaniraj e Jayaraman, 2011).

As opções para a recuperação do biopolímero que já foram estudadas

incluem precipitação com solventes orgânicos como o etanol (Zhang and Chen,

2010; Nasr et al., 2007), álcool isopropil (IPA) (Galindo and Albiter, 1996), misturas

de sais e álcool (Torrestiana-Sanchez et al., 2007; Psomas et al., 2007; Garcia-

Ochoa et al., 2000) e precipitação com sais trivalentes e tetravalentes (Kennedy,

1981). Já foram reportados também o uso de ultra-filtração (Torrestiana-Sanchez et

al., 2007; Lo et al., 1997).

A quantidade necessária de cada item depende da natureza dos

reagentes. A precipitação total da goma só é possível quando 3 volumes de IPA ou

acetona ou etanol (Zhang and Chen, 2010; Salah et al., 2010; Rottava et al., 2009;

Silva et al., 2009) são adicionados por volume do caldo. Se álcoois inferiores, tais

como o etanol são utilizados, volumes de álcool maior ou igual a 4 são necessários

por volume de caldo (Palaniraj e Jayaraman, 2011). Gumus et al. (2010) precipitou a

goma usando 2 volumes de isopropanol para cada volume do caldo.

Adição de sal em concentrações suficientes também causa precipitação

ou coacervação complexa devido à ligação iônica dos cátions do sal adicionado aos

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grupos ionizados no poliânion. Isto leva a reversão de carga no momento em que

todos os grupos aniônicos disponíveis são ligados a um cátion. Cátions polivalentes,

tais como alumínio, cálcio e sais quaternários de amônio são especialmente eficazes

na precipitação; ja os sais monovalentes, como o cloreto de sódio, na causam

precipitação (Keneddy et al., 1981).

A adição de um reagente não-solvente causa a precipitação não somente

por diminuir a hidrofilicidade do polímero, como também para melhorar a ligação dos

cátions que estão presentes. Assim, a xantana precipita com menos quantidade de

reagentes quando álcool e sal são usados em combinação (Garcia-Ochoa et al.,

2000).

Lo et al. (1997) desenvolveram um novo processo de recuperação que é

eficiente energicamente, ambientalmente correto e de baixo custo utilizando

ultrafiltração (UF), um método alternativo para a precipitação com álcool que se

recupera a goma xantana a partir de caldo fermentado diluído. Mesmo sob

condições de alta taxa de cisalhamento, a UF não causou quaisquer efeitos

adversos observados nas propriedades reológicas e peso molecular do polímero

xantana. Assim, a UF pode ser usada para concentrar o caldo xantana a partir da

fermentação por um fator de cinco ou mais vezes taxa, reduzindo assim a

quantidade de álcool necessária para a recuperação xantana em pelo menos 80%.

Torrestiana-Sanchez et al. (2007) reportaram que a precipitação assistida

por membrana reduziu a quantidade de soluto de precipitação utilizado enquanto

que aumentou muito o fluxo da membrana, resultando em uma grande melhoria na

produtividade de separação.

Em um trabalho realizado por Magon et al. (2008), foram realizadas três

formas diferentes para recuperação da goma xantana. No primeiro método, a

precipitação da goma foi feita com a adição de etanol 96° sobre o caldo de

fermentação (3:1v/v). No segundo método, acrescentou-se 0,01% de NaCl no álcool

utilizado. O terceiro método de recuperação ocorreu igual ao primeiro, porém após

precipitação da goma, esta foi dissolvida em solução de NaCl 1% e reprecipitada

com álcool.

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Este estudo observou que houve um aumento de 17% e 13% em relação

ao método convencional quando a goma foi recuperada pelos métodos de

reprecipitação e adição de sal ao álcool, respectivamente. Entretanto, a recuperação

de maior quantidade de xantana não foi relacionada à melhor qualidade do

biopolímero obtido. A melhor qualidade de acordo a análise da viscosidade da goma

mostrou que o método convencional foi o mais eficiente, obtendo-se um valor em

média 35,08% e 24,68% maior comparado aos outros dois métodos.

Outros trabalhos foram realizados para avaliar o efeito dos sais na

recuperação da xantana. Borges et al.(2009), obteve aumento na quantidade de

goma produzida quando adicionou 2% tanto de NaCl quanto de KCl no álcool usado

para a precipitação, em relação a produção goma sem adição de sais, entretanto,

não foi avaliada a viscosidade.

Oliveira (2009) obteve maior quantidade na recuperação da goma com a

adição de 0,1% de KCl e 0,05% de NaCl no álcool usado para a precipitação. Com a

adição destes sais, ocorreu uma diminuição da quantidade de solvente de 14% e

10% respectivamente sem prejuízo na concentração de goma. Neste estudo, a

viscosidade foi avaliada e apresentou aumento de 16% e 58% com a adição de

0.01% de KCl e 0.01% de NaCl respectivamente.

Antunes et al. (2000) obtiveram resultados de produção de goma

xantana entre 11,7 g.L-1 e 26,4 g.L-1, utilizando linhagens de X. campestris pv.

pruni. Moreira et al. (2001), realizaram uma seleção entre 18 diferentes

linhagens de X. campestris pv pruni, os autores observaram uma grande

variação na quantidade de goma xantana encontrada após 72 horas de

fermentação, que foi de 2,3 g.L-1 a 8,4 g.L-1. Borges (2003) estudou 30 diferentes

linhagens de X. campestris pv pruni, e observou uma grande variação de produção

de goma xantana para uma mesma linhagem, como no caso da linhagem 83 cuja

produção variou de 0 a 9,2 g.L-1. (APUD 2007 acucar)

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3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Devido à grande aplicação da goma xantana e ao seu amplo mercado

mundial várias pesquisas vêm sendo feitas para otimizar a produção através das

condições ótimas de crescimento celular, de produção, de recuperação e de

purificação deste polissacarídeo.

Alguns trabalhos mostram que a adição de sais na recuperação da goma

aumenta a quantidade de goma recuperada, no entanto, diminui sua viscosidade, o

mesmo acontece com a utilização de álcool na recuperação deste biopolímero. Há

também trabalhos que avaliam a quantidade de produção por diferentes cepas de

Xanthomonas. Outros estudos avaliam somente a produção da goma por diferentes

métodos de precipitação, como diferentes concentrações de sal e utilização de

diferentes alcoóis, sem pesquisar a viscosidade da goma, ou seja, avaliam somente

a quantidade e não a qualidade do produto produzido.

O estudo das propriedades reológicas da goma é útil para prever a

faixa da taxa cisalhamento, de concentração e temperatura adequada para a

preparação de goma xantana com viscosidades que permitam seu uso em escalas

laboratoriais e industriais. Além disso, uma modelo viscosidade também pode ser útil

no estudo e previsão dos efeitos das condições do processo sobre os atributos da

qualidade do produto final.

A quantidade de goma xantana produzida e a qualidade da mesma, de

acordo com as propriedades reológicas, apresentam variações devido a alguns

fatores como: efeito das fontes de carbono, das fontes de nitrogênio, da

temperatura, do pH e da taxa de transferência de massa.

É difícil comparar os resultados de produções de goma encontradas por

outros autores, pois os resultados variam em função da bactéria utilizada, até

mesmo entre linhagens de um mesmo gênero, espécie e subespécie e, também, em

função da composição dos meios utilizados, e das condições de processo.

Page 16: Precipitação da Goma Xantana

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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