Análise da capacidade de Bacillus spp. na produção de ácido γ-poliglutâmico em diferentes condições de cultivo utilizando grãos de soja como substrato

Abstract

O ácido gama-poliglutâmico (γ-PGA) recebeu considerável atenção em aplicações ambientais. Dentre os métodos de produção deste biopolímero a fermentação microbiana é a mais vantajosa economicamente. O objetivo deste trabalho é aumentar a produção de γ PGA utilizando soja como substrato. Neste estudo o γ-PGA foi produzido a partir de processos de fermentação utilizando Bacillus subtilis e Bacillus licheniformis inoculados em diferentes substratos. O caldo E foi utilizado para fermentação submersa (FS) e soja para fermentação em estado sólido (FES). Na fermentação submersa, o crescimento dos microrganismos em diferentes meios de cultivo e os mecanismos de produção de γ-PGA foram avaliados. Para a produção de γ-PGA em estado sólido, a concentração de proteínas dos cultivares de soja BRS 232, BRS 360 RR, BRS 1001 IPRO das safras de 2015 e 2016 e a modificação da estrutura física dos grãos de soja foram avaliados. O delineamento composto central rotacional (DCCR) foi utilizado para maximizar a produção em FES, avaliando quatro fatores (umidade, inóculo, substrato e temperatura). Os meios de cultura influenciaram na velocidade específica de crescimento de B. subtilis e B. licheniformis e o caldo nutriente foi mais vantajoso para a preparação do inóculo, pois intensificou a produção de γ-PGA em FS. A avaliação da eficiência de microrganismos do gênero Bacillus na produção de ácido γ PGA em FS indicou que B. licheniformis em cultivo isolado produziu um volume maior do biopolímero que B. subtilis. A maior produção de ácido γ-PGA por B. licheniformis foi de 398,1 mg L-1. Verificou-se que B. licheniformis é uma bactéria independente do ácido L-glutâmico para a produção de ácido γ-PGA. A composição centesimal dos cultivares da safra 2016 continha uma quantidade maior de proteínas, levando a um maior rendimento de biopolímero. A pluviosidade no período de cultivo teve maior influência na determinação do teor de proteínas nos grãos de soja, que a variação genética. Todos os cultivos da safra 2016 apresentam um grande potencial como substrato para a produção de γ-PGA. O cultivar BRS 1001 IPRO, da safra 2016, apresentou a maior produção, ou seja, 1177,2 mg L-1 de γ-PGA. Este cultivar foi submetida a diferentes níveis de cominuição (fina, média e grossa). Grãos cominuídos na fração grossa aumentaram a produção de γ-PGA para 2721,5 mg L-1. A fração grossa disponibilizou os nutrientes internos dos grãos para fermentação e sua granulometria possibilitou maior aeração. Os fatores significativos (p<0,05) para maximização da produção de γ-PGA foram o teor inicial de umidade e volume do inóculo, resultando na produção de 4400,8 mg L-1 de biopolímero.

Considerable attention has focused on gamma-polyglutamic acid (γ-PGA) for in environmental applications. Microbial fermentation is the most economically advantageous of the various production methods of this biopolymer. The aim of this work is to increase the production of γ PGA using soy as a substrate. In this study, γ-PGA was produced from fermentation processes by inoculating Bacillus subtilis and Bacillus licheniformis on different substrates. E broth was used for submerged fermentation (SF) and soybean for solid-state fermentation (SSF). The growth of microorganisms in different culture media and the mechanisms of γ-PGA production were evaluated in SF. The protein concentration of the cultivars BRS 232, BRS 360 RR, BRS 1001 IPRO for the 2015 and 2016 crops and the modification of the physical structure of the soybeans were evaluated for γ-PGA production via SSF. A central composite rotatable design (CCRD) was used to maximize production via SSF, evaluating four factors (moisture levels, inoculum, substrate and temperature). The specific growth rates of B. subtilis and B. licheniformis were influenced by the culture media and the nutrient broth was advantageous in the preparation of the inoculum, as it intensified the production of γ-PGA in SF. An analysis of the efficiency of microorganisms of the genus Bacillus in the production of γ-PGA in SF indicated that B. licheniformis in isolated culture produced a larger volume of the biopolymer than B. subtilis. The highest production of γ-PGA achieved with B. licheniformis was 398.1 mg L-1. It was found that B. licheniformis is a bacterium independent of L-glutamic acid for the production of γ-PGA. The percent composition of cultivars from the 2016 crop contained a higher amount of protein, leading to a higher biopolymer yield. During the cultivation period, the rainfall index exerted a stronger influence in determining the soybean protein content than the genetic variation. All the 2016 crops showed an excellent potential as substrate for the production of γ-PGA. The cultivar BRS 1001 IPRO, from the 2016 crop, presented the highest production yield, i.e., 1177.2 mg L-1 of γ-PGA. This cultivar was subjected to different levels of comminution (fine, medium and coarse). Grains comminuted in the coarse fraction increased the yield of γ-PGA to 2721.5 mg L 1. The coarse fraction made the internal nutrients of the grains available for fermentation and its granulometry allowed for greater aeration. The significant factors (p<0.05) for maximizing the production of γ-PGA were the initial moisture content and volume of the inoculum, resulting in the production of 4400.8 mg L-1 of biopolymer.