Eficiência da hidrólise de amido de mandioca por diferentes fontes de enzimas e rendimento da fermentação alcoólica para produção de etanol

Abstract

O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de álcool por dois tipos de leveduras a partir de amido de mandioca, utilizando maltes de cereais como fonte de enzimas amilolíticas. O trabalho se dividiu em duas etapas. Na primeira, foram feitos ensaios para se determinar a melhor concentração de malte a ser utilizado na hidrólise. As concentrações testadas foram, 4, 8 e 12,5% de malte em relação à massa de amido. Foram testados os maltes de cevada, trigo, milho e centeio com objetivo de se determinar se algum destes seria o mais adequado para utilização neste tipo de processo. Os hidrolisados foram analisados com relação ao perfil dos açúcares formados e foi calculado o rendimento da hidrólise, com o objetivo de se determinar qual o melhor tipo e concentração de malte. Estes ensaios foram feitos em suspensões de 100g contendo 12% de fécula de mandioca que foi gelatinizado, em seguida resfriado até 50°C submetido à ação das enzimas do malte por 24h na temperatura de 50°C. Foram feitas análises de regressões para se ajustar modelos que descrevessem o perfil da hidrólise. Os maltes utilizados foram analisados com relação ao teor de amido, açúcares, umidade, pH e atividade amilolítica. A fécula de mandioca utilizada foi caracterizada com relação ao teor de amido, umidade e pH. Na segunda etapa, de posse dos resultados da primeira, foram feitas fermentações dos mostos hidrolisados. A concentração de malte utilizada foi de 12,5% para todos os tipos de cereal. O malte de cevada atingiu maiores valores de rendimento e apresentou maior atividade enzimática, juntamente com o trigo. Entretanto, apesar da menor atividade amilolitica, o malte de milho apresentou rendimentos próximos aos do malte de cevada quando usado na maior concentração. Foram preparadas suspensões de 1kg, contendo 12% de amido de mandioca que foram gelatinizadas, hidrolisadas com o malte e inoculadas com a levedura. Foram utilizadas neste processo as leveduras Saccharomyces cerevisiae, que é a levedura tradicionalmente utilizada para a produção de álcool e Saccharomyces diastaticus, que é uma variedade que apresenta a característica de produzir a enzima glicoamilase e crescer utilizando substrato amiláceo. As leveduras foram inoculadas e o processo fermentativo foi monitorado através do consumo de substrato, geração de produto, queda do pH e elevação da acidez do mosto. Não houve interação significativa entre os fatores malte e levedura. As maiores concentrações de etanol foram encontradas nos mostos fermentados por Saccharomyces cerevisiae e variaram entre 39,1 e 48,9 g de etanol/L. Apesar de apresentar menores concentrações de etanol, os mostos fermentados por Saccharomyces diastaticus apresentaram elevada hidrólise do amido, variando entre 99,2% e 97,9% o que indica elevada capacidade desta levedura em hidrolisar o amido. A composição do produto formado foi analisada por meio de cromatografia gasosa. Foi observado que a formação de acetaldeido foi mais intensa nos mosto de cevada e centeio fermentados por S. cerevisiae. Acetato de etila esteve mais presente nos mostos fermentados de centeio e cevada e não houve variação entre as duas leveduras para este composto. Metanol foi encontrado em maiores proporções nos mostos fermentados por S.cerevisiae, enquanto que os mostos fermentados por S. diastaticus apresentaram maiores teores de 1 propanol. Os valores para álcool isobutilico e isoamilico não variaram entre os tratamentos testados. Os dados obtidos servem de base para outras pesquisas, visando o aperfeiçoamento deste processo. A busca por fontes de enzimas mais baratas e processos mais aperfeiçoados que diminuam os custos de energia são pontos fundamentais para viabilizar a produção de etanol a partir de material amiláceo.

The objective of this work was to evaluate the alcohol production of two yeast strains from cassava starch, using cereal malts as source of amilolytic enzymes. The work was divided in two steps. In the first step, assays were carried out to determinate the best malt concentrations would be used on the hydrolysis. Four concentrations of malt in relation to starch mass, 4,0; 8,0 and 12,5% were tested, Barley, wheat, corn and rye malts were tested aiming to set if any of them of they would be most suitable for usage in this kind of process. Hidrolysated suspensions were analyzed regarding to formed sugars profile by enzymatic kits and the hydrolysis yield was calculated to determinate the best malt concentration. These tests were conduced in suspensions of 100g containing 12% of cassava starch, which was jellied and cooled until 50°C and, then, submitted to malts enzymes action for 24h at 50°C. Regressions analyses were done in order to find models that describe better the hydrolysis profile. The malts used were analyzed in relation to starch rates, sugars, moisture content, pH and amilolytic activity. The cassava starch used was characterized in relation to starch, moisture content and pH. In the second step, with the results of the first one, fermentations of the wort were done. The malt concentration used was 12,5% for all cereals. Barley malt has reached greater yield values and presented greater amilolytic activity as well as wheat. However, despite of the smaller amilolytic activity, corn malt have shown yields close to barley malt when used in the highest concentration. 1Kg suspensions containing 12% of cassava starch were jellied, hydrolyzed with malt and inoculated with the yeast. In this process were used Saccharomyces cervisiae yeast strain, traditionally used for alcohol production and Saccahromyces diastaticus yeast strain, which presents glycoamilase enzyme production and the growth using starch as substratum. Yeast were inoculated and the fermentative process was monitored by substratum consumption, product generation, pH decreasing and wort acidity increase. The largest alcohol concentrations were found in the S. cerevisiae- fermented worts and varied from 39,1 to 48,98 g of ethanol L-1. In spite of presenting smaller ethanol concentrations, the S. diastaticus fermented worts presented higher starch consumption, varying from 99,21 to 97,92%, indicating an high capacity of starch consumption by this yeast. Formed products compositions were analyzed by gas chromatography. It was observed that acetaldehyde formation was more intense in barley and rye wort fermented by S. cerevisiae. Ethyl acetate was more present in barley and rye fermented wort and there was not difference between these two yeasts for this compound. Methanol was found in greater proportions in S. cerevisiae-fermented worts, while S. diastaticus- fermented worts presented more concentrations of 1 propanol. Isobutyl and isoamyl alcohols values didn t vary among the tested treatments. The obtained data serve as basis for other researches, looking for this process improvement. The search for cheaper enzyme sources and process with higher incomes that diminish the energy costs are fundamental points to make possible the ethanol production from starch material.