Indústria de Alimentos e Fermentação

Tecnologia de Processos Bioquímicos Industriais - Ácido Láctico e Solventes

• O ácido lático é um ácido fraco, mas confere acidez que persiste algum tempo. É um sólido cristalino com baixo ponto de fusão e sabor azedo. Seus sais são solúveis e miscíveis em água, álcool e éter; é resistente ao calor.
• Aplicação do ácido láctico: É usado em alimentos, produtos farmacêuticos, cosméticos e na indústria química (acidulante em produtos de confeitaria, fabricação de extratos, essências, sucos de frutas, refrigerantes e outros; conservação de carnes, vegetais e pescado).
• Fermentação lática é um processo metabólico onde carboidratos são parcialmente oxidados, resultando na liberação de energia e compostos orgânicos, principalmente ácido láctico. É realizada por bactérias ácido-láticas, fundamentais na produção/conservação de alimentos.
• Bactérias láticas importantes para a produção de alimentos e produtos derivados de laticínios: Gêneros Lactobacillus e Streptococcus, usados para coalhadas, iogurtes e queijos. Acetobacter para transformar o álcool do vinho em ácido acético, originando o vinagre.
• Outros microrganismos usados em alimentos: Leveduras e fungos em produtos de panificação, picles, azeitonas e chucrutes. Bactérias acéticas em aromas e proteínas unicelulares (soja fermentada).
• A indústria de alimentos aproveita os produtos fermentados como queijos maturados, chucrutes e linguiça fermentada. Os produtos fermentados possuem aromas e sabores característicos resultam da ação dos microorganismos. Vários produtos alimentares devem suas características às atividades fermentativas dos microrganismos (ex: vinho e vinagre há 10.000 AC, cerveja há 5.000-6.000 AC [Egito], pão há 4.000-7.000 AC [Egito], queijo e leite fermentado há 5.000 AC e soja fermentada há 3.000 AC).
• Bactérias heterofermentadoras são importantes na produção de componentes de aroma e sabor, como acetilaldeído e diacetil (ex: fabricação de manteiga).

Produção de Solventes (Acetona-Butanol)

• A produção de solventes por fermentação foi importante durante a Primeira Guerra Mundial, principalmente a acetona. Após a Segunda Guerra Mundial, a concorrência de processos sintéticos fez com que a produção por fermentação diminuísse o seu peso na indústria. No entanto, a produção de solventes por fermentação continua.
• O produto mais importante, em determinado período, foi a acetona, mas o butanol e os seus ésteres passaram a ser mais importantes para a indústria automobilística, na produção de lacas.
• Aplicações do butanol: solvente de arraste em cromatografia, produção de filmes poliméricos, indústria farmacêutica (purificação de antibióticos), indústria automobilística (fluidos de freios e solventes de tintas e vernizes).
• Aplicações da acetona: solvente na produção de insulina, óleos, graxas, película de rayon acetato, confecção de explosivos e refino de cocaína.

Agente da Fermentação

• Clostridium acetobutylicum (bactérias anaeróbias estritas) são importantes produtoras de butanol e acetona.
• As características desta bactéria incluem: habitat em solos, raízes e grãos; forma de bastonete, gram+; pH ótimo 5,5 - 7,0 e temperatura ótima de 35-37 graus Celsius; e tolerância a até 1,5% de butanol.
• A fermentação para a produção de solventes envolve a degradação da glicose pela glicólise que resulta em piruvato.

Condições da Produção de Ácido Láctico

• O crescimento celular atinge seu máximo em 18 horas. O processo de fermentação completa-se entre 42 horas e 5 dias.
• O pH deve ser mantido entre 5,0 e 5,8 para controlar o crescimento de contaminantes.
• A adição de carbonato de cálcio (CaCO3) ou hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) serve para tamponar o meio (a cada 6 horas).
• A agitação é necessária para manter contato entre os compostos.
• O rendimento médio é de 85 a 90% em relação ao açúcar.

Controles da Fermentação

• Controle Microbiológico
• Controle Químico: medir o teor de açúcar (inicial e final), acidez e peso do produto obtido (lactato).

Materiais Primas para Acetona-Butanol

• A lactose é o substrato mais comum, disponível desde 1936. O soro de leite, que contém cerca de 5% de lactose, também pode ser usado.
• Leite desnatado e sobras do leite podem ser utilizados na produção, sendo necessário precipitar a caseína com ácido mineral ou ácido láctico (o ácido láctico é recuperado ao final do processo).
• Outros materiais: leite, soro de leite, glicose do milho, melaço de cana, batatas.

Linhagens Produtoras de Ácido Láctico & Solventes

• Bactérias homofermentadoras degradam glicose pela via glicolítica. O intermediário importante para a formação do ácido láctico é o ácido pirúvico.
• Bactérias heterofermentadoras degradam glicose pela via oxidativa das pentoses fosfato. Produtos intermediários importantes são ácido pirúvico e aldeído acético.
• Há várias espécies importantes de bactérias capazes de produzir butanol e acetona. O Clostridium acetobutylicum é recomendado para produções industriais.
• Existem diferentes cepas capazes de produzir solventes em quantidades variáveis. Exemplos: C. beijerinckii produz solventes na mesma proporção que C. acetobutylicum, mas ao invés de acetona, produz isopropanol; C. aurantibutyricum produz acetona, isopropanol e butanol; C. tetanomorphum produz quantidades equimolares de butanol e etanol.

Linhagens Produtoras- Rendimento e Características do Processo

• Bactérias homofermentadoras são importantes na produção de ácido láctico, com rendimento de 2 moles/mol de glicose.
• Bactérias heterofermentadoras têm rendimento de 1 mol/mol de glicose.
• Exemplo de linhagens: L. delbrueckeri (sacarose e glicose), L. bulgaricus (glicose), L. casei (lactose), L. leishimanni (lactose), Streptococcus Lactis (lactose)
• O processo de fermentação requer um pH próximo ao neutro, temperatura de 25 a 35°C, tempo entre 72 e 150 horas e o micro-organismo precisa ser anaeróbio estrito. Durante a fermentação, a tensão de oxigênio (O2) é baixa e os gases produzidos arrastam o oxigênio.

Preparo do Mosto

• O mosto deve ter teor de açúcar entre 6% e 10% e conter N2 inorgânico, como o fosfato de amônio.
• As linhagens aceitam até 1,5% de butanol para produção de solventes.
• Podem ser adicionados estimulantes como ác. aspártico, asparagina e glutâmico.
• Há particularidades na preparação de soluções para meios sacaríneos e amiláceos, que demandam esterilização por vapor ou aquecimento em altas temperaturas.

Cinética do Processo

A cinética da produção de solventes apresenta 3 fases:

1. Crescimento microbiano baixo com elevação da concentração de ácidos e intensa evolução gasosa.
2. Baixa concentração de ácidos, alta produção de solventes.
3. Novo aumento na concentração de ácidos, sem produção de solventes e morte das culturas.

Controles

• Controles importantes: concentração de substrato (Matéria-prima); teor de acidez (pH) medido via dosagem por titulação; verificação da espuma (nível da espuma que deve ser clara e com odor característico ); e o controle microbiológico.

Produtos e Recuperação

• De 30% de produtos, o butanol representa 60% da composição.
• Acetona 30%.
• Etanol 10%.
• Subprodutos (10%): ácido acético e ácido butírico.
• Gases (60%) : CO2 e H2.
• Recuperação dos produtos por destilação.

Situação Atual

• A busca por alternativas sustentáveis à dependência do petróleo, como o biobutanol, vem crescendo na indústria química.
• As iniciativas envolvem a manufatura de biobutanol a partir da cana-de-açúcar e milho.

Referências

• Notas de Aula e livro texto, Volume 3, capítulo 2 (item 2.5) e capítulo 3 (item 3.2).

Teste seus conhecimentos sobre os processos de fermentação e os micro-organismos envolvidos na indústria alimentícia. Descubra quais produtos são fermentados e a importância das bactérias e leveduras nesse contexto. Responda perguntas sobre as funções e características dos produtos fermentados.