O hidrolisado hemicelulósico obtido após o tratamento do material lignocelulósico por ácido e/ou calor contém, além dos açúcares hemicelulósicos,
vários inibidores do crescimento microbiano (KUHAD, SINGH, 1993; LARSSON et
ai., 1999). A quantidade dessas substâncias no hidrolisado depende das
condições de hidrólise e da biomassa utilizada. Entre esses compostos, de natureza desconhecida, estão os produtos da degradação de açúcares, como furfural, hidroximetilfurfural, ácido levulínico, ácido fórmico e ácido acético, os compostos fenólicos derivados da lignina, tais como seringaldeído e vanilina, os extrativos, representados pelas resinas ácidas, taninos e terpenos (KUHAD,
SI NGH, 1993; PARAJÓ et ai., 1998; LARSSON et ai., 1999).
2.3.1. Ácido Acético
O ácido acético é o principal derivado dos grupos acetil liberados das xilanas acetiladas nos hidrolisados hemicelulósicos. O modo de ação nas células de leveduras pode ser pela redução do pH intracelular a valores inferiores ao limite admissível, resultando em diminuição do crescimento e do metabolismo celular (VOGEL-LOHMEIR et ai., 1998).
A toxicidade do ácido acético na conversão de xilose em xilitol por Candida
guil/iermondii tem sido constatada quando este está presente em concentrações
acima de 3 g/L (FELIPE et ai., 1995). O ácido acético é considerado um potente inibidor do metabolismo da glicose em leveduras e seu efeito é função da concentração da sua forma não dissociada (pKa 4,75) e, portanto, depende do pH do meio de fermentação. No pH ótimo para a fermentação por leveduras (pH 4,0- 5,0) o ácido acético encontra-se em sua maioria sob a forma não dissociada, a qual difunde-se livremente para dentro do citoplasma, onde dissocia-se causando um decréscimo no pH intracelular. As leveduras são capazes de regular seu pH interno por bomba de prótons mediante a ATPase situada na membrana. Quando
o pH intracelular diminui, verifica-se também um aumento da atividade da ATPase, prejudicando a dissipação de ATP (KUSUMGI et ai., 1998). Acima de uma certa concentração de ácido acético, o catabolismo celular não pode gerar quantidade suficiente de ATP, portanto, o gradiente de prótons na membrana não é mantido, a produção de energia é desacoplada e o transporte de vários nutrientes é prejudicado (HERRERO et ai., 1985; du PREEZ et ai., 1991 ).
FELIPE (1994) observou que nenhuma bioconversão ocorreu quando a levedura Candída guíllíermondíí cresceu em hidrolisado hemicelulósico de cana- de-açúcar contendo ácido acético em concentrações maiores que 5 g/L e pH inferior a 4,5.
Segundo estudos realizados por SILVA (2001 ), o efeito inibitório do ácido acético sobre a bioconversão de xilose em xilitol por Candída guíllíermondíí pode ser potencializado pela presença de outros compostos tóxicos no hidrolisado tais como furfural, hidroximetilfurfural e fenóis.
2.3.2. Furfural e Hidroximetilfurfural
A influência do furfural na via metabólica de utilização de açúcares e no crescimento microbiano é dependente da concentração deste no meio de cultivo. Na fermentação alcoólica empregando Saccharomyces cerevísíae, AZHAR et ai. (1981 ), verificaram a inibição da multiplicação da levedura, em presença de furfural na concentração de 3,0 gil. Para Candída guíl/íermondíí, o furfural mostrou-se um potente inibidor do metabolismo oxidativo quando em concentrações acima 1,0 g/L (SANCHES, BAUTISTA, 1988; OJAMO et ai., 1988). Segundo estudos realizados com Píchia stíptis, o efeito tóxico do furfural foi relacionado à inibição na respiração e da fosforilação oxidativa (PARAJÓ, 1998). WEIGERT et ai. (1988), atribuíram a inibição pelo furfural à sua interferência direta no transporte de elétrons na mitocôndria.
O hidroximetilfurfural, devido ao fato de ser muito reativo, está usualmente presente em baixas concentrações. Sob condições favoráveis para sua formação
ocorrem reações subsequentes, resultando na formação de outros compostos (HARRIS et ai., 1985). A presença de hidroximetilfurfural em concentrações de 1,5 g/L em meio contendo uma mistura dos açúcares glicose, manose e xilose não afetou o tempo total de fermentação, verificando-se inclusive um efeito estimulatório na produção de xilitol por Candida parapsilosis (PREZIOSI-BELLOY etal., 1997).
2.3.3. Compostos fenólicos
Durante a hidrólise ácida, uma pequena fração da lignina é degradada, resultando na liberação de compostos aromáticos. Destes, os compostos fenólicos de baixa massa molar têm sido considerados os de maior força inibitória (CLARK, MACKIE, 1984). Segundo VILLA et ai. (1998) os compostos fenólicos presentes no hidrolisado, embora em baixas concentrações, inibem a conversão de xilose em xilitol pela levedura Candida guilliermondii. Segundo estes autores concentrações maiores que O, 1 g/L mostraram efeito inibitório na velocidade de consumo da xilose, crescimento celular e produção de xilitol.
A inibição da fermentação em hidrolisado hemicelulósico de algodão decresceu quando manômeros e ácidos fenólicos foram removidos por tratamento com a enzima lacasse (Jõnsson et ai., 1998; citados por PALMQVIST, HAHN-HAGERDAL, 2000). O ácido 4-hidroxibenzóico tem sido usado como um composto modelo para o estudo da influência dos compostos fenólicos na fermentação (PALMQVI ST et ai., 1999b ). Seu efeito inibitório na fermentação com
S. cerevisiae tem sido relatado quando encontra-se presente em concentrações
acima de 1 g/L.
PARAJÓ ( 1998) verificou que a maioria dos produtos da degradação da lignina são mais tóxicos que o furfural e o hidroximetilfufural e apresentam uma alta potencialidade inibitória a baixas concentrações.
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2.3.4. Cátions Metálicos
Cátions metálicos, provenientes do equipamento da hidrólise, também influenciam a atividade das enzimas que participam do metabolismo da xilose (LEE, McCASKEY, 1983; HEIKKILA et ai., 1992; VOGEL-LOHMEIR et ai., 1998). Estudos realizados indicam que Ca2\ Mg2+ e Mn2+ não afetam a atividade da xilitol desidrogenase, no entanto esta enzima pode ser fortemente inibida por Zn2\ Cd2+
e Co2+ (Girio et ai., 1996; citados por PARAJÓ, 1998).
WATSON et ai. (1984) estudaram os efeitos de íons sobre o crescimento celular de Pachyso/en tannophi/us, para a produção de xilitol e constataram que os íons Cu2+ e
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nas concentrações de até 0,004 e O, 1 O g/L, respectivamente, não afetaram significativamente a atividade máxima da enzima, mas a presença de íons Ni2+ na concentração de O, 1 O g/L resultou na redução de 60% no valor deste parâmetro.Já ficou comprovado que o processo fermentativo de produção de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico proveniente da hidrólise do bagaço de cana- de-açúcar apresenta ainda algumas limitações, principalmente quanto à produtividade, devido à presença dos compostos inibidores do metabolismo microbiano presentes no material, tais como furfural, hidroximetilfurfural, ácido acético e derivados da lignina (PARAJÓ et ai., 1998).
O presente trabalho foi realizado nos laboratórios do Grupo de Processos Fermentativos do Departamento de Biotecnologia - DEBIQ da Faculdade de Engenharia Química de Lorena - FAENQUIL, Lorena, SP.