Hidrolisato refere-se a qualquer produto de hidrólise.

Deve-se diferenciar o termo de um hidrólito, que é uma substância sujeita a hidrólise, que por sua vez é a reação da água com outro composto químico para formar dois ou mais produtos, envolvendo a ionização da molécula de água e geralmente dividindo o outro composto. Exemplos incluem a conversão catalítica de amido em glicose (no caso, como única substância resultante, um hidrólito), a saponificação e a formação de ácidos ou bases a partir de íons dissolvidos. No caso do amido, se uma hidrólise não conduza apenas à produção de glicose, resultando numa mistura de glicose e maltodextrinas, essa mistura caracteriza-se como um hidrolisato.

Os hidrolisatos tem aplicações em diversos campos, como nutrição, o aproveitamento de subprodutos e resíduos de diversas indústrias, na biotecnologia como nutriente para meios de cultura bacteriana (hoje com aplicações em diversos tipos de fermentações que produzem substâncias químicas diversas e excreções diretas de bactérias modificadas que são produtos biotecnológicos, como, por exemplo, a insulina), na medicina, na indústria cosmética e na produção de biocombustíveis e mesmo (bio)hidrogênio com aproveitamento da biomassa.

Numa aplicação popularmente conhecida, o hidrolisato de proteínas tem aplicação especial na nutrição e medicina esportiva porque seu consumo permite que os aminoácidos sejam absorvidos pelo corpo mais rapidamente do que as proteínas intactas, maximizando assim a entrega de nutrientes, aminoácidos, aos tecidos musculares.[MANNINEN, 2004] Também é usado na indústria de biotecnologia como um complemento para culturas celulares em processos de fermentação.[UMMADI, CURIC-BAWDEN, 2010]

Hidrolisatos de proteínas

Glúten do trigo

Como co-produto da produção de amido e bioetanol, o glúten está disponível em quantidades razoavelmente grandes.[ASRARKULOVA, BULUSHOVA, 2018]

Os hidrolisatos de proteína do trigo são hidrolisados principalmente por processos enzimaticos ("pré-digeridos") e também apresentam vantagem de uma absorção mais rápida em comparação com a própria proteína do trigo. O custo mais alto do hidrolisato de proteína de trigo é aceito no mercado de suplementos alimentares pelos resultados em hipertrofia muscular pela redução da catabolia pós exercícios com o aumento da insulina em associação com carboidratos.[VAN LOON et al, 2000] Os problemas de digestão de algumas pessoas (doença celíaca) com a proteína do trigo (glúten) podem ser minimizados com o consumo de hidrolisato protéico do trigo.[GRECO et al, 2011]

A hidrólise enzimática da proteína de trigo pode ser realizada com papaína (enzima de qualidade alimentar), tendo período de reação aproximado de 8 horas. Para essa enzima, essa ação implica rapidamente na redução do comprimento das cadeias peptídicas. A proteólise resulta no aumento do conteúdo das formas solúveis de nitrogênio. Observa-se que o conteúdo de nitrogênio peptídico aumenta dentro das primeiras 6 horas e depois começa a diminuir. A porcentagem de peptídeos liberados com peso molecular (PM) acima de 15 kD (quilo Daltons) diminuiu com a prolongada hidrólise enzimática, enquanto aqueles com PM abaixo de 5 kD aumentam significativamente. Peptídeos com MW de 10 a 15 kD e aqueles com o PM de 5 a 10 kD apresentam alterações diferentes. A glutenina polimérica e a gliadina monomérica no complexo glúten apresentam comportamento diferente após a hidrólise enzimática. A proteína monomérica (gliadina) e a glutenina solúvel são propensas à hidrólise enzimática, enquanto a glutenina insolúvel e resistente à hidrólise enzimática.[WANG et al, 2007]

Em comparação com o glúten nativo, os hidrolisados ​​de glúten têm melhores habilidades de formação de espuma e emulsificação, além de maior solubilidade em água assim como propriedades biologicamente ativas dos hidrolisados ​​(antioxidante, hepatoprotetor e inibidor da enzima de conversão da angiotensina).[ASRARKULOVA, BULUSHOVA, 2018]

O glúten de trigo pode ser submetido a hidrólise enzimática com várias proteases (Alcalase, Flavourzyme, Protamex) e permite melhoria do sabor com diminuição do amargor e realce do sabor umami. Também há a obtenção de atividades antioxidantes do hidrolisato.[KOO et al, 2014]

Hidrolisatos de proteínas de trigo apresentam segurança para formulações como agentes condicionadores de pele e cabelos, não causando reações de hipersensibilidade do tipo 1 em indivíduos sensibilizados e não induzem sensibilização quando o comprimento do polipeptídeo dos hidrolisados não exceder 30 aminoácidos, sendo seguros para uso em cosméticos quando formulados para restringir os peptídeos a um peso molecular médio de 3.500 Da ou menos.[BURNETT et al, 2014]

Outras sementes

Outros resíduos de alimentos e bebidas, como a borra de café, assim como outros grãos e amêndoas, assim como suas proteínas extraídas, podem ser hidrolisados similarmente, e produzir hidrolisatos entre teor de aminoácidos e carboidratos, com diversas outras substâncias de interesse, como os amendoins, as ervilhas, feijões e soja. Os hidrolisados de proteína de soja têm sido usados principalmente como ingredientes alimentares funcionais, intensificadores de sabor e nutritivos, substitutos de proteínas e produtos clínicos, incluindo meios de cultura de células.[ANGELI et al, 2016][ANGELI et al, 2019]

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Hidrolisato de colágeno

O hidrolisato de colágeno possui aplicações em medicina, como agente terapêutico de potencial utilidade no tratamento da osteoartrite e osteoporose.[MOSKOWITZ , 2000]

Possui uma ampla gama de aplicações devido a suas propriedades de baixa viscosidade em soluções aquosas, odor neutro, ser incolor, ter transparência, permitir emulsificação e estabilização, formação de espuma, formação de filme, molhabilidade, solubilidade, dispersibilidade, compressibilidade do pó, ser transportador de substâncias de baixa alergenicidade, bem como atividade antioxidante e antimicrobiana. Para aplicações cosméticas, tem boas funções biológicas, como incremento da proliferação celular, capacidade de retenção de água, absorção de umidade, retenção e propicia ação de antienvelhecimento na pele. E amplamente utilizado como ingrediente funcional na indústria de alimentos por causa de suas propriedades para aumentar a retenção de água em produtos à base de carne, desenvolvimento sensorial e melhoria das propriedades físicas e químicas em bebidas e laticínios. Na indústria biomédica, a aplicação de hidrolisato de colágeno misturado com celulose ou quitosana para a formação de estruturas ajuda na promoção da síntese de colágeno, gerenciamento de distúrbios ósseos e articulares, no tratamento de feridas, com excelente biocompatibilidade e propriedades antimicrobianas. [LEÓN-LÓPEZ et al, 2019]

O hidrolisato de resíduos diversos contendo colágeno pode ser usado para produção de meios de cultura de bactérias, e entre os agentes de hidrólise, pode ser usada a peptona. [VASILEVA-TONKOVA et al, 2007] Mesmo proteínas de difícil digestibilidade, como os chifres de animais, como os carneiros, podem pela hidrólise ser usados para a produção de meios de cultura para bactérias.[KURBANOĞLU, ALGUR, 2002]

Valor para a indústria de alimentos

Hidrolisato de proteína animal, como do fígado de galinhas, com hidrólise provida por pepsina, tem mostrado ser rico em ácido L-aspártico e os minerais necessários manganês e selênio.[CHOU et al, 2013]

A qualidade nutricional da carne de peixes criados em cativeiro (piscicultura), como o dojô (Misgurnus anguillicaudatus), podem ser melhorada pelo acréscimo na ração de hidrolisato de proteínas, como outros subprodutos da indústria de pesca.[MIAO, J. et al, 2020]

Hidrolisatos vegetais não alimentícios

Hidrolisatos de vegetais que não são usados na alimentação humana diretamente, como a alfafa, podem se tornar fontes ricas de proteínas facilmente assimiláveis, fonte de minerais como cálcio, fósforo, ferro, magnésio, potássio, zinco, cobre, selênio, silício orgânico e manganês, da vitaminas C, K, D, E, U, B1, B2, B6, B12, ácido fólico (vitamina B9), biotina, niacina, provitamina A, assim como β-caroteno e diversos aminoácidos essenciais como alanina, lisina, arginina, histidina, cisteína, prolina, metionina e tirosina, e não essenciais como o ácido glutâmico. Serviriam ainda como fonte de fibras alimentares.[APOSTAL et al, 2017]

Pesquisas similares demonstram o valor para a indústria de alimentos de hidrolisatos de outras variedades vegetais, tais como o fonio (Digitaria exilis), de plantas do gênero Pandiaka.[GLEW et al, 2013][GLEW et al, 2019]

Obtenção de substâncias específicas

Determinadas substâncias, como os polissacarídeos fucanas sulfatadas, podem ser obtidas a partir de hidrolisatos de biomassa, como das algas pardas.[RODRIGUES, BENEVIDES, 2010]

Hidrolisatos de celulose e lignina

Os hidrolisatos de celulose, sendo o seu monômero glicose, possuem aplicação direta como matéria-prima para a produção de etanol, no caso, o dito etanol celulósico. Tal hidrólise é realizada com tratamento com ácidos concentrados a alta temperatura. Alternativamente, enzimas como a celulase de ação endodôntica decompõem a celulose em unidades individuais de glicose. Os mais variados rejeitos da indústria de alimentos e outras que envolvam biomassa podem servir como matéria-prima para esse primeiro passo de hidrólise, como por exemplo, o sabugo de milho, e passos adiante de fermentação por Saccharomyces cerevisiae, no caso de produção de etanol.[SILVA, 2018] Os produtos de decomposição de uma digestão enzimática de celulose podem ser analisado por cromatografia HPLC.[BALL, LLOYD, MAPP]

Diversos resíduos e rejeitos por qualidade da indústria de alimentos podem ser usados como substrato para a produção de hidrolisatos de açúcares e posteriormente, se desejado, etanol, como por exemplo, a polpa de batatas, sendo que tratamentos prévios com microondas e ultrassom podem ser aplicados.[MIAO, W. et al, 2014]

A produção sustentável de biocombustíveis exigirá a utilização eficiente da biomassa lignocelulósica. Uma barreira fundamental envolve a criação de compostos inibidores de crescimento por etapas químicas de pré-tratamento, que reduzem a eficiência dos biocatalisadores microbianos fermentativos. As toxinas primárias incluem ácidos orgânicos, derivados de furano e compostos fenólicos. Ácidos fracos entram na célula e se dissociam, resultando em uma queda no pH intracelular, bem como em vários efeitos específicos do ânion no metabolismo. Os derivados de furano, produtos de desidratação de açúcares de hexose e pentose, demonstraram dificultar a função da enzima fermentativa. Os compostos fenólicos, formados a partir da lignina, podem romper as membranas e, segundo a hipótese, interferem na função dos alvos hidrofóbicos intracelulares. São estudadas a toxicidade e tolerância para esses compostos, com foco específico no importante organismo industrial Escherichia coli. Tem sido realizados esforços para desenvolver E. coli com melhor tolerância a essas toxinas.[MILLS et al, 2009]

A comercialização do bioprocesso para a produção de n-butanol depende em grande parte do preço das matérias-primas, sendo a celulose renovável uma matéria-prima atrativa. A produção microbiana de n-butanol ainda permanece desafiadora devido à disponibilidade limitada de NADH (nicotinamida adenina dinucleótido hidreto) intracelular. Em busca da solução desse problema, cepas de Escherichia coli portadora da via Clostridial dependente de CoA são empregada. A partir de hidrolisato de celulose da palha de arroz, essa cepa produz biobutanol celulósico com um rendimento de produção de 35% do valor teórico e uma produtividade que chega a valores de de 0,093 gL-1h-1. Num método alternativo, a produção envolve um sistema de co-cultura que consiste em duas estirpes separadas, fornecidas com a via dependente de CoA completa. Este sistema alcançou um rendimento de produção e produtividade atingindo 62,8% do valor teórico e 0,163 g L-1h-1, respectivamente, apresentando-se como um sistema de co-cultura de E. coli que é tecnicamente promissor para a produção de biobutanol celulósico.[SAINI et al, 2016]

Biohidrogênio com o uso de hidrolisatos de celulose

Uma estratégia com alteração de temperatura foi desenvolvida para melhorar a redução da produção de açúcar a partir da hidrólise bacteriana de materiais celulósicos. Nesta estratégia, a produção de enzimas celulolíticas com Cellulomonas uda E3-01 foi promovida a uma temperatura preferível (35 °C), enquanto a hidrólise enzimática de celulose mais eficiente foi alcançada sob uma temperatura de cultura elevada (45 °C), na qual o crescimento celular foi inibido para evitar o consumo de açúcar redutor. Demonstrou-se que essa estratégia de mudança de temperatura aumenta acentuadamente a concentração de açúcar redutor (especialmente monossacarídeo e dissacarídeo) no hidrolisato enquanto hidrolisa materiais celulósicos puros [carboximetilcelulose (CMC), xilana, avicel e celobiose] e naturais [casca de arroz, palha de arroz, bagaço e capim-elefante (Pennisetum purpureum)]. Os hidrolisados celulósicos de CMC e de xilano foram convertidos com sucesso em hidrogênio por fermentação com Clostridium butyricum CGS5, atingindo um rendimento máximo de hidrogênio de 4,79 mmol H2/g de açúcar redutor.[TAGUCHI et al, 1996][LO et al, 2009]

Hidrolisatos de biomassa e a lignina

Microrganismos naturais capazes de realizar hidrólise são tradicionalmente capazes de transformar praticamente qualquer substrato orgânico em hidrolisatos desejados ou mais ambientalmente amigáveis, metano, dióxido de carbono e hidrogênio, com a exceção conhecida de lignina e óleos minerais (petróleo e hidrocarbonetos derivados e associados).[PANDEY, CARNEY, 2001][DARA, SHETE, 2010][UL-ISLAM, 2017][MEENAMBAL, 2019]

Processos de separação da massa de lignina das etapas posteriores de fermentações ou outros são desejáveis, e normalmente, aproveita-se a possibilidade de separação pela insolubilidade e caráter hidrofóbico da lignina no hidrolisato de celulose, predominantemente formado de carboidratos solúveis.[ZHANG, S et al, 2009][RIZVI, 2010][KANG et al, 2014]

Plantas aquáticas, abundante fonte devido a eutrofização de massas de água, podem ser fonte de biomassa, e o acréscimo de certos produtos químicos, como o cloreto de magnésio, afeta o fracionamento, a remoção de lignina e a digestão enzimática, com vantagens na redução de corrosão de equipamentos.[ZHANG, B. et al, 2016]

Árvores e seus subprodutos de industrialização e limpeza de áreas plantadas, folhas e ramos oriundos de podas, como por exemplo as do gênero Populus (álamo), incluindo variedades híbridas, têm sido consideradas como matéria-prima promissora de biomassa para a produção de biocombustíveis e bioquímicos devido ao seu rápido crescimento, curto ciclo vegetativo e ampla distribuição. Tratamentos prévios com ácido acético para produzir xilooligossacarídeos e ácido peróxiacético (ácido peracético) promovem a remoção de lignina residual para posterior hidrólise enzimática.[WEN et al, 2019]

Dentre substâncias presentes nos hidrolisatos de biomassa, incluindo de madeira, estão as xiloses. Dois dos principais produtos químicos de interesse que podem ser produzidos a partir de D-xilose por leveduras são o etanol e o xilitol.[XU, BURA, DOTY, 2011]

Para aproveitamento maior de biomassa, em especial para produção de biocombustíveis de segunda geração, desenvolvimentos de ataque enzimático de organismos mutantes e geneticamente modificados, em temperaturas adequadas, para a desconstrução de estruturas celulares e lignocelulose para a produção de açúcares fermentáveis têm sido feitos, associados com operações unitárias mecânicas para fracionamento fino da massa em tratamento.[GOMEZ et al, 2010][FRITZE, HOUBEN, KRIEGEL]

Deseja-se nesses processos de hidrólise de celulose a remoção do furfural e compostos relacionados, inibidores da fermentação, normalmente por ação de vapor a alta temperatura. Métodos de fracionamento da biomassa, utilizando uma base, em vez de um ácido, como por exemplo a explosão de fibra por amônia (AFEX, ammonia fiber explosion). [KIM et al, 2008][SAMSUMG, 2009]

A lignina tem sido pesquisada como fonte de certos produtos, como o guaiacol, guetol e a vanilina.[MERRETT, 2009]

Estrutura molecular do guetol:

Guetol - 2-etoxifenol, C8H10O2, CAS No 94-71-3 - www.vvchem.com

Com materiais contendo celulose como a palha de trigo, obtidos por cozimento em presença de oxigênio e álcalis-antraquinona, têm sido estudados os efeitos da lignina na enzimólise e na enzimólise da celulose. Os resultados têm mostrado que, na enzimólise da celulose com diferentes teores de lignina, quanto maior o teor de lignina, menor a taxa de enzimólise.[JIANAN et al, 2000]

Plantas do gênero Luffa, a esponja ou bucha vegetal, de seus frutos secos, permite a produção de hidrolisatos com resíduos sólidos limpos, fonte de estrutura filamentar para quitina, formando um copolímero contendo N-acetil-glucosamina (~40%) como monômero principal, com aplicação na produção de substitutos aos têxteis hospitalares como gaze e bandagens, e como matéria-prima para substitutos temporários da pele.[JIANG et al, 2014]

Dadas as aplicações da quitina e da quitosana, e esta capacidade de estruturação para o material, abrem-se aplicações derivadas desse subproduto de produção e limpeza por hidrólise para suturas cirúrgicas, implantes dentários, reconstituição óssea, lentes de contato, liberação controlada de drogas em animais e humanos e encapsulamento de materiais.[AZEVEDO et al, 2007]

Entre as aplicações da lignina está a recuperação de óleo cru (petróleo) e consequentemente hidrocarbonetos associados. A lignina é alcalinizada e acrescida de um hidrólito parcial de poliacilamina (HPAM, partially hydrolyte polyacrylamide).[SONY et al, 2019]

Produção de celulose bacteriana

Na indústria de papel, uma fração significativa de fibras que não podem ser reutilizadas é desperdiçada pelas empresas, o que levanta preocupações econômicas e ambientais. Uma demanda crescente de celulose bacteriana (BC, bacterial cellulose), por exemplo, a aprtir do microorganismo Acetobacter xylinum, tem sido notada nos últimos anos. Para aliar a reciclagem de resíduos lignocelulósicos e a produção de celulose bacteriana, o lodo de papel reciclado (RPS, recycled paper sludge ) e as fibras rejeitadas (RF, rejected fiber) podem ser hidrolisadas enzimaticamente para obter hidrolisados de açúcar, utilizados na produção de BC. Outros subprodutos e rejeitos da indústria podem ser usados como fonte de celulose bruta a ser hidrolisada, como o bagaço.[SOARES DA SILVA et al, 2018] [CHENG et al, 2017]

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Leituras recomendadas

Revisão Science Direct: Protein Hydrolysates - www.sciencedirect.com