Quitosana na Produção de Etanol

O Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) aprovou financiamento de R$ 1,4 milhão para o Parque de Desenvolvimento Tecnológico (Padetec), instalado no campus da Universidade Federal do Ceará (UFCE), em Fortaleza. O dinheiro vai custear o desenvolvimento de uma tecnologia inédita voltada para o aumento da eficiência do processo de produção de etanol a partir da cana-de-açúcar. O novo processo industrial será estudado em parceria com a Polymar Ciência e Nutrição, pequena empresa de base tecnológica situada na capital cearense e ex-incubada do Padetec. Se a nova tecnologia funcionar, os produtores de álcool poderão até eliminar uma das fases do processo de produção, reduzindo custos. O projeto foi aprovado pelo BNDES no âmbito do Fundo Tecnológico (Funtec), criado para financiar projetos de pesquisa, desenvolvimento e inovação realizados em parceria por empresas e institutos, universidades ou instituições de apoio à pesquisa, como é o caso do Padetec, centro de P&D e incubador de empresas de base tecnológica.

A nova tecnologia consiste no uso de um polímero natural, a quitosana, para fazer a imobilização da levedura Saccharomyces cerevisiae, produtora das enzimas responsáveis pelo processo de fermentação que converte o açúcar em etanol. A imobilização, como explica o pesquisador Afrânio Craveiro, do Padetec, consiste em "prender" — ou encapsular, para usar o termo técnico — a enzima dentro das microesferas de quitosana. Com isso, ela suporta melhor o ambiente muito quente em que atua, resiste mais ao etanol, do ponto de vista químico; e o processo de fermentação ganha em eficiência.

Os testes em laboratório feitos pela equipe de Afrânio mostram que, ao encapsular a levedura Saccharomyces cerevisiae, a eficiência do processo de conversão do açúcar em etanol cresce 5%. Evita-se a formação de leveduras selvagens, que não são desejáveis, pois competem por nutrientes com as leveduras "sadias". Permite-se, ainda, que a levedura seja reutilizada mais vezes — elas são desprezadas quando perdem a capacidade de fermentar e começam a contaminar o meio em que atuam. No laboratório, os pesquisadores chegaram a sete utilizações, mas acreditam que podem ampliar esse número.

A Polymar domina o processo de extração e produção de quitosana para uso em alimentos funcionais e fitoterápicos. Sabe-se, por exemplo, que a quitosana tem grande capacidade de absorção de gordura; por isso, ela é utilizada num suplemento natural voltado para o combate da obesidade e para a redução de colesterol. A empresa estuda diversas aplicações desse polímero para ampliar seus negócios, e a imobilização da levedura Saccharomyces cerevisiae é uma delas.

O presidente Polymar, Alexandre Craveiro, estudou o uso de quitosana em seu doutorado. "Havia muitos trabalhos de aplicação da quitosana, em especial no Japão, e nós introduzimos isso no mercado brasileiro", lembra Alexandre. A Polymar faz um acompanhamento dos artigos científicos e do trabalho de empresas que desenvolvem aplicações para quitosana — hoje usada na indústria de cosméticos, petróleo, em produtos cirúrgicos e farmacêuticos, entre outros. Desse trabalho de benchmark, que já originou até um livro, e da experiência com a Petrobras surgiu a idéia do uso da quitosana para encapsular a levedura usada na fermentação de açúcar para produção de etanol.

Segundo Afrânio, do Padetec, o R$ 1,4 milhão obtido do banco será investido na construção de uma planta de bancada e de uma planta-piloto com capacidade para produzir 50 litros de etanol por hora. A planta maior servirá para testes e, posteriormente, para demonstração da tecnologia para os produtores de etanol. "Dependemos do bom funcionamento da planta-piloto para convencer os usineiros a adotar a tecnologia", aponta Alexandre, da Polymar.

Quitosana na Proteção de Implantes!

A Quitosana pode atuar na prevenção de formação de “biofilmes” de microrganismos (crescimento de fungos e bactérias) em procedimentos ou dispositivos de implantes.

Um biofilme é uma camada fina e pegajosa de células infecciosas, que são altamente resistentes a tratamentos padrão com antibióticos. Quando um biofilme se forma ou se acumula sobre um implante é necessário um procedimento cirúrgico para remover.

Uma investigação preliminar dos efeitos de um revestimento de Quitosana sobre o desenvolvimento de biofilmes bacterianos ou fúngicos, sugere que o revestimento destrói os micróbios essencialmente pela imobilização ou fixação dos mesmos, evitando que os microrganismos se agrupem à superfície do implante.

Embora sejam necessárias maiores investigações, caso a Quitosana comprove ser uma cobertura efetiva, pode tornar-se um aditivo poderoso capaz de reduzir de forma significativa as taxas de infecções associadas a implantes e diminuir o risco dos microrganismos desenvolverem resistência aos antibióticos que são utilizados atualmente no revestimento de implantes.

Microesferas de Quitosana

A preparação de microesferas é uma estratégia para incrementar a capacidade de adsorção da quitosana, uma vez que as microesferas possuem uma área superficial cerca de 100 vezes maior do que a quitosana em flocos. Além disso, as microesferas apresentam cinéticas de adsorção mais rápidas e maior facilidade de manuseio e operação.Diversos estudos recentes mostram que a quitosana pode ser utilizada para preparar microesferas para diferentes propósitos. A versatilidade deste polímero permite a preparação de microesferas de diferentes formas e tamanhos, envolvendo diversos produtos e derivados.

O uso de quitosana porosa em partículas apresenta inúmeras vantagens no processo de imobilização de enzimas. Entre as principais vantagens, podemos destacar:

a) o fato da quitosana ser um material de origem natural (biopolímero), sendo desta maneira seguro para o uso e biocompatível.

b) Quando comparada com outras resinas sintéticas, sua grande quantidade de poros se apresenta de maneira uniforme desde a superfície até seu interior, provendo desta maneira uma grande difusão do substrato.

c) A presença abundante de grupos amina altamente reativos disponíveis para imobilizar enzimas via ligação covalente e pelo fato de que a quitosana, por si mesma, possui uma grande afinidade com enzimas, permitindo, desta maneira, que uma grande quantidade de enzimas possa ser imobilizada na quitosana.

Alem destas vantagens citadas anteriormente, podemos destacar ainda o fato de que, sendo a quitosana um polissacarídeo, apresenta vantagens por ter alta estabilidade em solventes orgânicos em adição a hidrofilicidade e a porosidade dos produtos formados.

Quitosana para Ferimentos e Hemorragias

ATIVIDADE HEMOSTÁTICA DA QUITOSANA

A atividade hemostática da quitosana foi inicialmente relatada por Malette e Quigley. Olsen e colaboradores completaram os estudos pré-clínicos iniciais de segurança e eficácia em diversas formas físicas de diversos sais de quitosana. O mecanismo para a formação de coágulos também foi definido através de experimentos elegantes. Este mecanismo pode operar independente da cascata de eventos da coagulação normal que resulta na formação da fibrina. Desta forma, a quitosana pode formar um coágulo estável no sangue na ausência de fibrina. Experimentos in vitro, demonstraram que o sangue tratado com heparina, que inibe a formação da fibrina, forma um coágulo estável quando soluções de sais de quitosana são adicionadas. A observação de que coágulos estáveis podem ser formados com soluções de sais de quitosana geraram um considerável interesse na possibilidade da utilização da quitosana como agente hemostático clínico.

Como agente hemostático, a quitosana, na forma de bandagens, possui a capacidade de acelerar a hemóstase em procedimentos cirúrgicos ou em ferimentos hemorrágicos, através de um procedimento simples, rápido, não-invasivo e de fácil aplicação, resultando em um menor tempo de internação para os casos cirúrgicos reduzindo os custos de procedimentos como o cateterismo e o tempo de internação.

Baseada nessas propriedades a empresa Polymar, líder em tecnologia em Quitosana, desenvolveu e patenteou uma bandagem hemostática inovadora, de uso externo em procedimentos cirúrgicos ou ferimentos, a partir de uma derivado de Quitosana.

Quitosana - Remediando Problemas em Tecidos Vegetais

A Quitosana é compatível com todos os tipos de células, não sendo expelidas por elas. A ativação de células a partir da aplicação da Quitosana é normalmente distribuída por todas as células uniformemente, não ocorrendo a distribuição parcial ou somente em certas células. As plantas caem ou param de crescer devido a fatores que incluem rotação de colheita, danos por pesticidas, ou por causas naturais (ex: estiagens ou inundações).

A Quitosana possui propriedades para remediar problemas nos tecidos vegetais e para normalizar as funções celulares. Todas as partes da planta, tais como raízes, folhas, caule, flores e frutos, podem utilizar a Quitosana para reparar, melhorar, e ativar células e proteger as plantas de doenças. A aplicação de quitosana solúvel, de baixo peso molecular, em plantas, aumenta a produção de quitinases. Essas enzimas, ativam a resistência natural de plantas contra fito-patógenos e assume funções como a de extrator biogenético.

A Quitosana no controle de doenças em rosas

Neste estudo avaliou-se o efeito de quitosana microcristalina em concentrações a partir de 0,025% até 0,2% sobre rosas contaminadas com Sphaerotheca pannosa var. rosae, Peronospora sparsa and Botrytis cinerea. Foram feitas avaliações, após 2 e 4 pulverizações sobre as rosas infectadas por S. pannosa var. rosae. Para a P. sparsa, o experimento foi conduzido sobre plantas em politúnel e o nível de infecção foi medido após 4 pulverizações com quitosana. A atividade da quitosana contra o B. cinerea foi avaliada em laboratório utilizando pétalas de flores, as quais foram scraped e inoculadas com o agente patogênico. Após o terceiro, quinto e sétimo dia de incubação, o diâmetro da necrose foi medido. Foram utilizados como fungicidas padrões: Triforine 0.03% (para S. pannosa var. rosae), oxadixyl 0.016% (para P. sparsa), e vinclozolin 0.05% (para B. cinerea).

Dependendo da data da observação e da concentração usada, a quitosana reduziu o desenvolvimento do powdery mildew de 43,5% para 85,4% e sua eficácia foi similar ao triforine. Quando aplicada contra P. sparsa sua eficácia variou de 50% a 73%. O aumento da concentração dos compostos resultou em uma menor atividade antifúngica. Em concentrações de 0,0625% 3 0,125% a atividade da quitosana foi comparável com a do oxadixyl. Como tratamento preventivo, a quitosana a uma concentração de 0,025%, reduziu a ocorrência da doença em 72%, de forma similar ao oxadixyl. Quando utilizada contra B. cinerea, a quitosana em concentrações de 0,1% e 0,2%, reduziu o diâmetro da necrose em 5% e 35% respectivamente. Em concentração de 0,5%, a quitosana teve efeito estimulante sobre o crescimento dos fungos.

Mecanismos de ação antifúngica pós-colheita da Quitosana em Tomates

Alternana alternata é o agente causador do fungo preto em tomates. Tratamentos pré e pós-colheita normalmente são necessários para prevenir o desenvolvimento do fungo. Até hoje, nenhum fungicida foi aprovado para tratamento pós-colheita de tomates para inibir o desenvolvimento da Alternaria devido a toxicidade residual e a resistência dos patógenos.

A Quitosana vem mostrando possuir atividade antifúngica contra uma gama de fungos. Esse biopolímero estimula a atividade da quitinase em morangos quando aplicada diretamente sobre o tecido amputado, e estimula as barreiras de defesa estruturais quando aplicado sobre as feridas da haste de pimentas. A cobertura de Quitosana prolongou a vida de prateleira de tomates e morangos, e controlou a deterioração de morangos. A equipe já mostrou em trabalho anterior que a Quitosana inibe a produção de toxina pela A. Alternata e a produção de enzima macerante por Erwinia além de estimular a produção de fitoalexina.

O objetivo dessa investigação foi estudar o efeito da Quitosana sobre o controle do fungo preto sobre o tomate e sua interferência sobre os fatores virulentos dos fungos tais como as enzimas degradantes da parede celular (poligalacturonase, pectateliase e a pectina metilesterase), ácidos orgânicos (ácidos oxálico e fumárico), toxinas específicas (alternariol e alternariol monoetileter) envolvidas em processos patogênicos, assim como o aumento da produção de fitoalexinas (risitina) em tomates.

Observou-se uma redução significativa no crescimento dos fungos e no tamanho das lesões com o tratamento da Quitosana comparada com o controle. As lesões foram 50% menores na superfície dos frutos tratados com Quitosana após 4 semanas de armazenamento comparado com apodrecimento total do controle em 3 semanas. As atividades das enzimas degradantes e dos ácidos orgânicos, e as toxinas específicas foram reduzidos em mais de 50% e os níveis de risitina foram maiores nos tratamentos com Quitosana. Os ensaios quantitativos para risitina revelou um aumento de pelo menos 50% de seus níveis após 14 dias de armazenagem dos tomates tratados com Quitosana, contribuindo para uma maior resistência do tecido. Adicionalmente a atividade antifúngica, a a Quitosana também inibiu a produção de fatores de virulência pelos fungos enquanto estimulava a produção de fitoalexina no hospedeiro. Desta forma, a Quitosana possui um grande potencial para o controle de fitogêneos pós-colheita em frutas e verduras.

MV BHASKARA REDDY, J ARUL, P ANGERS, and F CASTAIGNE
Department of Food Science and Nutrition and Horticultural Research Center, Lava University, Ste-Foy, Quebec, Canada, GI K 7P4

Quitosana - Tratamento de Sementes

A quitosana atua de duas formas na proteção de sementes: como agente fungicida e como indutor de genes que auxiliam as plantas a resistirem a doenças. As sementes tratadas com quitosana se desenvolvem em plantas com sistemas de raízes grandes, copas cheias e caules fortes. Devido a esses efeitos, as plantas podem absorver mais nutrientes e água do solo. A erosão também é reduzida.

As sementes tratadas com quitosana apresentam um aumento de 25% da taxa de germinação quando comparadas a sementes não tratadas (controle). O desenvolvimento das raízes também aumenta pelo tratamento das sementes com quitosana.

Fisiologicamente, plantas que cresceram a partir de sementes tratadas com quitosana são mais produtivas do que as desenvolvidas a partir de sementes não tratadas. Plantações de arroz e trigo, por exemplo, quando tem suas submetidas a tratamento com quitosana, produzem de forma consistente de 5 a 20% mais grãos na colheita, chegando a uma diferença de 450-1.000Kg/ha de plantação.

Adicionalmente, a aplicação de quitosana sobre sementes pode fornecer benefícios indiretos ou secundários carregando fungicidas em sua composição, formando um invólucro semipermeável ou um filme individual em cada semente.

Atualmente, a ciência e a indústria alimentícia reconhecem a importância de sistemas de liberação controlada como os filmes de quitosana que agem mantendo o pesticida sobre a superfície da folha, aumentando a eficácia e evitando a contaminação do meio ambiente.

Quitosana - Atividade Fungicida

O uso de substancias bioativas como a Quitosana para controle de doenças causadas por fungos pós-colheita tem chamado bastante atenção na área agrícola e alimentícia devido aos problemas eminentes associados ao uso de agentes químicos, o qual inclui o desenvolvimento de uma resistência dos consumidores na aquisição e ingestão de produtos tratados com fungicidas, o aumento do número de agentes patogênicos pós-colheita resistentes a fungicidas tradicionais e a quantidade de fungicidas que ainda estão sob observação para serem utilizados. Experimentos mostram que a Quitosana inibe o crescimento in vitro de uma gama de fungos e leveduras, com exceção do Zygomycetes, que tem a Quitosana como o principal constituinte de suas paredes celulares. Adicionalmente a formação de uma película protetora permeável ao ar, a Quitosana possui uma função dupla, que é a interferência direta sobre o crescimento do fungo e a ativação do mecanismo de defesa das plantas.

Recentemente a atividade antifúngica da Quitosana foi avaliada em um experimento utilizando o crescimento in vitro de fungos patogênicos pós-colheita em morangos. De acordo com esse estudo, a Quitosana (com grau de desacetilação acima de 92%) reduziu de forma marcante, o crescimento radial de Botrytis cinerea e Rhizopus stolonifer, com um efeito maior em altas concentrações. Os pesquisadores envolvidos confirmaram a importância do grande números de grupos positivos alternados na cadeia do polímero devido a abaixa atividade apresentada pela N,O-carboximetilQuitosana comparada com a Quitosana.

Em estudos realizados in vivo, El Ghaouth e colaboradores relataram sinais de infecção em frutos cobertos com Quitosana após 5 dias de armazenagem a 13°C comparado com 1 dia para o controle. Após 14 dias de armazenagem, os morangos cobertos com Quitosana (15mg/mL) tiveram a sua deterioração causada por fungos reduzida em mais de 60%. Observou-se ainda que os frutos cobertos amadureceram normalmente e não apresentarem nenhum sinal aparente de fito-toxicidade.

Em outro estudo, que avaliou a inibição da Sclerotinia rot em cenouras através do tratamento com solução de Quitosana mostrou que a incidência de apodrecimento foi reduzida de forma significativa (de 88 para 22%) pelo tratamento das raízes de cenoura com soluções com concentrações de 2 e 4% de Quitosana.

A Quitosana também induz a produção de uma enzima de defesa na planta, denominada quitinase, presente em tecidos vegetais, que degrada as paredes celulares dos fungos e induz o acúmulo de fitoalexinas fúngicas. Os resultados sugerem que a cobertura de frutas e verduras com Quitosana ou seus derivados pode trazer vantagens positivas para a armazenagem a longo prazo desses alimentos.

Atividade Antimicrobiana da Quitosana

A crescente demanda de consumidores e especialistas por alimentos sem conservantes químicos tem levado a pesquisas e a descoberta de novos agentes antimicrobianos naturais. Nesse contexto, a atividade antimicrobiana incomum da Quitosana e derivados contra diferentes grupos de microrganismos, tais como, bactérias, fungos e leveduras tem recebido uma atenção especial nos últimos anos.

Em virtude de sua carga positiva, a Quitosana é mais solúvel e possui uma maior atividade antimicrobiana do que a quitina. Os mecanismos exatos pelos quais a Quitosana e seus derivados exercem essa atividade ainda permanecem desconhecidos. Entretanto, diferentes mecanismos têm sido propostos por pesquisadores. A interação entre a Quitosana positivamente carregada e as membranas celulares dos microrganismos negativamente carregadas, leva ao vazamento de conteúdo protéico e outros componentes intracelulares. A Quitosana também age como agente quelante que se liga seletivamente a traços de metais e inibe dessa forma a produção de toxinas e o crescimento microbiano. O biopolímero possui ainda capacidade de ativar diversos mecanismos de defesa nos tecidos hospedeiros, atua como um agente sequestrante de água e inibe várias enzimas. A ligação da Quitosana com DNA e a inibição da síntese do mRNA ocorre via penetração da Quitosana no núcleo dos microrganismos e interferência na síntese do mRNA e proteínas.

Alguns estudos mostram que a inibição completa do Staphylococcus aureus requer a utilização de Quitosana em concentrações maiores (1-1,5%) por 2 dias de incubação a pH 5.5 ou 6.5. Outros estudos mostraram que a Quitosana em concentrações menores do que 0.005 mostrou-se suficiente para a completa inativação do S. aureus. Esses dados concordam com os resultados obtidos por Darmadji e Izunomoto sobre o efeito da Quitosana sobre a preservação de carnes.

No estudo realizado por Simpson e colaboradores (1997) avaliou-se o efeito antimicrobiano da Quitosana sobre diferentes culturas de bactérias sobre o camarão cru em diferentes concentrações e observou-se variações no grau de susceptibilidade dos microrganismos a Quitosana. De acordo com os resultados obtidos, o Bacillus cereus requer concentrações de Quitosana em torno de 0,02% para o efeito bactericida, enquanto a Escherichia coli e o Proteus vulgaris mostram crescimento mínimo a 0,005% e completa inibição a concentrações acima de 0,0075%.