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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
AMANDA ACORCE DE AMORIM
Produção biotecnológica de Flavor
LORENA 2014
AMANDA ACORCE DE AMORIM
Produção biotecnológica de Flavor
Trabalho de Graduação apresentado à Escola
de Engenharia de Lorena da Universidade de
São Paulo como requisito parcial para
conclusão da Graduação do curso de
Engenharia Bioquímica. Orientador: Prof. Dra. Maria Eleonora Andrade de Carvalho
LORENA 2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Serviço de Biblioteca Escola de Engenharia de Lorena
Amorim, Amanda Acorce de
Produção biotecnológica de Flavor/ Amanda Acorde de Amorim. -
Lorena, 2014. 23 f.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão do
Curso de Graduação de Engenharia Bioquímica - Escola de Engenharia de
Lorena da Universidade de São Paulo.
Orientadora: Maria Eleonora Andrade de Carvalho
I. Síntese química. 2. Síntese (Biolotecnologia). 3. Aromatizantes.4.
Aditivos alimentares I. Carvalho, Maria Eleonora Andrade de , Orient.
Dedico este trabalho aos meus pais, que
sempre me ensinaram que não se chega
a lugar algum sem educação. Obrigada
por me incentivarem a estudar e a
sempre ir atrás dos meus sonhos e,
acima de tudo, obrigada por todo amor e
apoio.
AGRADECIMENTOS
Á minha família, meus pais Débora C. A. Amorim e Marcio G. de Amorim, que
nunca mediram esforços para que eu realizasse meus objetivos.
Aos meus irmãos, Matheus e Victória, sem vocês por perto enquanto eu
crescia eu não teria a coragem que tenho hoje de enfrentar todos os desafios.
Ao meu namorado, Renan M. Araújo, obrigada por todo o apoio, incentivo e
amor durante todo esse tempo, e por não ter me deixado desistir.
À minha orientadora, Prof. Dra. Maria Eleonora Andrade de Carvalho, obrigada
pelos conselhos e auxilio na conclusão deste trabalho.
À EEL e seus funcionários e professores, obrigada por transformar uma aluna
em uma Engenheira.
Aos meus amigos que se transformaram em minha segunda família tão longe
de casa, sem vocês esses anos teriam sido muito mais difíceis.
AMORIM, Amanda Acorde de. Produção biotecnológica de Flavor. 2014. 23 f. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Bioquímica) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
RESUMO
A indústria de flavors atualmente é responsável por um quarto do mercado de
aditivos alimentícios mundial, devido a esta alta demanda houve um grande
interesse no desenvolvimento de pesquisas relacionadas a novos métodos de
produção. Como consequência da presente preocupação com o meio ambiente
e com a alimentação saudável, houve um crescimento da procura por flavors
considerados naturais. Visto que a extração vegetal destes compostos
encontra diversos problemas, como a baixa produtividade no processo de
extração e dificuldade s no cultivo de plantas, o foco de estudos foi direcionado
para as técnicas de produção biotecnológica de compostos de flavor. Neste
trabalho de revisão bibliográfica, foram abordados os conceitos relacionados ao
estudo das moléculas de flavor, o cenário do atual mercado industrial e suas
perspectivas para o futuro, assim como os métodos encontrados para a
produção de flavor. Os métodos de produção são a síntese química ou
biotecnológica, da qual consta o cultivo de células vegetais, a produção
microbiológica e enzimática.
Palavras-chave:
Flavors, aromas, naturais e “nature identical”, síntese química, reação de
Maillard, síntese biotecnológica.
ABSTRACT
The flavor industry currently accounts for a quarter of global food additives
market, due to this high demand there was great interest in research
development leasing new production methods. In consequence to the present
concern with the environment and with healthier alimentation, there was a
growth of natural flavors considered and, as plant extraction process has
several problems, like low productivity process and difficulty in plants growth,
the focus was directed to studies of biotechnological production techniques of
flavor compounds. In this work of literature review, was addressed the concepts
related to the study of molecules of flavor, the scenario of the current industrial
market and its perspectives of the future and the methods that were found for
production of flavor, being them for chemical or biotechnological synthesis, like
the cultivation of plant cells, microbiological and enzymatic production.
Key words:
Flavor, aromas, naturals, nature identical, chemical synthesis, Maillard
reaction, biotechnological synthesis.
Sumário
1. OBJETIVOS .............................................................................................................. 1
2. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 4
3.1. Produtos Naturais, “Nature Indenticals” e Artificiais .................................... 4
3.1.1. Produtos Naturais......................................................................... 4
3.1.1.1. “Cold pressing” – Óleos cítricos ..................................... 4
3.1.1.2. Óleos de destilação gasosa ........................................... 5
3.1.2. “Nature Indentical” ....................................................................... 5
3.1.2.2. Álcoois ........................................................................... 5
3.1.2.3. Ácidos ............................................................................ 5
3.1.2.4 Ésteres ........................................................................... 6
3. 1.2.5. Lactonas ....................................................................... 6
3.1.2.4. Aldeídos ......................................................................... 6
3.1.3. Artificiais ...................................................................................... 7
3.2. Indústria de flavor ....................................................................................... 7
3.3. Produção .................................................................................................... 8
3.3.1. Produção Química ........................................................................ 9
3.3.1.1. Reação de Maillard ........................................................ 9
3.3.1.2. Formação de compostos de flavor pela reação de
Maillard ......................................................................... 11
3.3.2. Produção Biotecnológica ............................................................ 12
3.3.2.1. Cultura de Células Vegetais ......................................... 13
3.3.2.2. Produção Microbiológica .............................................. 15
3.3.2.3. Produção Enzimática ................................................... 17
Enzimas Hidrolíticas ................................................................................. 18
Enzimas Oxirredutases ............................................................................. 19
4. Conclusão ............................................................................................................... 21
5. Obras Citadas ......................................................................................................... 22
1
1. OBJETIVOS
O presente trabalho tem como objetivo revisar os recentes avanços na
produção de compostos de flavor. Foram analisados métodos de produção
química, com ênfase para a reação de Maillard, extração vegetal e de produção
biotecnológica, incluindo os processos de cultivo de células vegetais, produção
microbiológica e enzimática.
2
2. INTRODUÇÃO
Há muitos anos, compostos de flavor variando de substâncias simples à
complexas são extraídos de plantas. Eventualmente, após a elucidação de sua
estrutura, a síntese de flavors vem sendo feita quimicamente.
Atualmente, flavors representam mais de um quarto do mercado de
aditivos alimentícios e a grande maioria dos compostos é produzida por síntese
química ou extração de materiais naturais. Entretanto, recentes pesquisas de
mercado mostraram que os consumidores preferem comidas rotuladas como
“naturais” (Longo & Sanromán, 2006). Com isso a demanda industrial para
flavors naturais está constantemente aumentando, e atualmente o volume de
produtos disponíveis para a indústria de alimentos está crescendo, já que estes
estão sendo cada vez mais processados para serem consumidos prontos
(Bosse, Fratz, & Zorn, 2013).
Apesar dos compostos de flavor serem produzidos por transformação
química de substâncias naturais, os produtos resultantes não podem ser
rotulados como tal. Além disso, a síntese química resulta muitas vezes em
produções que prejudicam o meio ambiente e não tem seletividade para os
substratos, o que pode causar a formação de misturas racêmicas indesejáveis,
reduzindo a eficiência do processo e aumentos os custos de purificação. Por
outro lado, a produção de flavors considerados naturais pela extração direta de
plantas, também está sujeita a muitos problemas. Essas matérias-primas
muitas vezes contêm baixas concentrações das substâncias desejadas,
aumentando o custo do processo, além de depender de fatores difíceis de
controlar, como condições climáticas e pragas em plantações (Longo &
Sanromán, 2006).
Com o aumento da popularidade de produtos naturais nas ultimas
décadas houve um aumento significativo das pesquisas para o uso de
biocatalisadores na produção de compostos de flavor, já que produtos
derivados de bioprocessos com substratos naturais são em principio definidos
como “naturais”, se eles já foram identificados anteriormente em plantas ou
outras fontes naturais (Schrader, Etschmann, Sell, Hilmer, & Rabenhorst,
2004).
3
Como rotas alternativas à síntese química e à extração natural, foram
encontrados processos baseados na biossíntese ou biotransformação de
matérias primas através de microrganismos e seus componentes (Longo &
Sanromán, 2006).
4
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Como esperado, a definição de flavor varia de acordo com a fonte. O
FDA (Food and Drug Administration) dos Estados Unidos define agentes
flavorizantes e adjuvantes como “substâncias adicionadas para conferir ou
ajudar a conferir o gosto ou aroma nos alimentos”. O órgão americano identifica
flavor como “substâncias adicionadas para suplementar, realçar, ou modificar o
sabor e/ou aroma de um alimento, sem transmitir seu próprio gosto ou aroma”
(Burdock, Dec 3, 2004).
3.1. Produtos Naturais, “Nature Indenticals” e Artificiais
3.1.1. Produtos Naturais
Materiais que ocorrem naturalmente são à base das indústrias de flavor
e fragrâncias e da química orgânica. Os óleos essenciais são um desses
materiais obtidos de plantas por simples processos físicos, especialmente “cold
pressing” e destilação gasosa.
3.1.1.1. “Cold pressing” – Óleos cítricos
As cascas da família dos cítricos, que inclui laranja, limão, lima,
bergamota, toranja, tangerina e mexerica, contem glândulas que liberam óleos
quando esmagadas. “Cold pressing” é o processo no qual a casca sofre
pressão a frio e com isso libera uma mistura de óleo e água, facilmente
separada. O componente principal de todos esses óleos é o hidrocarboneto
monoterpeno limonene (fig. 1), cerca de 95% nas laranjas e toranjas e um
pouco menos em limões e limas. O caráter do óleo é determinado pelos
“traços” de seus componentes, também considerados “marcadores” para a
qualidade do óleo.
Figura 1. (4S) Limonene
5
3.1.1.2. Óleos de destilação gasosa
A maioria das plantas contém óleos menos voláteis do que os das frutas
cítricas, na maioria das vezes menos de 1%, e estes são obtidos por destilação
gasosa. Como exemplos: cássia, canela, menta, rosa e lavanda. Este processo
pode levar a mudanças na composição devido à decomposição térmica,
oxidação e hidrólise. Tradicionalmente, o melhor óleo de lavanda é produzido
em altas altitudes, já que o baixo ponto de ebulição leva à menor hidrólise de
ésteres, como os acetatos de linalyl (fig. 2) e lavandulyl (fig. 3).
3.1.2. “Nature Indentical”
A grande maioria dos aromas químicos usados em flavor são “nature
indentical” (NI), ou seja, foram identificados ocorrendo em alimentos
encontrados na cadeia alimentar humana, mas são sintetizados quimicamente.
3.1.2.2. Álcoois
O etanol (fig.4) é um flavor de bebidas alcoólicas, pode ser considerado
um solvente (especialmente em fragrâncias), flavor ou aditivo.
Figura 4. Etanol
3.1.2.3. Ácidos
Ácidos simples contribuem para notas agudas que se tornam frutadas
em diluição, o ácido 2metil-butírico (fig.5) é um exemplo.
Figura 2. Acetato de Lavandulyl
Figura 3. Acetato de Linalyl
6
3.1.2.4 Ésteres
Inúmeros ésteres são usados em flavors, como é o caso de quase todos
os flavors de álcoois combinados com os flavors de ácidos. Entre os ésteres
frutados simples importantes inclui-se o etil butirato (fig. 6).
3. 1.2.5. Lactonas
Estes ésteres cíclicos são usualmente encontrados como gama-lactonas
(5 anéis) e delta-lactonas (6 anéis). Como seus primos acíclicos, são usados
em flavors frutados e derivados de leite, especialmente os delta-lactonas, como
o delta-decalactona (fig.7).
3.1.2.4. Aldeídos
O aldeído cíclico mais importante, e um dos mais significantes aromas
químicos é a vanilina (fig.8).
Figura 5. Ácido 2 metil butírico
Figura 5. Etil Butirato
Figura 6. Delta-decalactona
7
3.1.3. Artificiais
Há ainda um grande numero de materiais de flavor que ainda não foram
encontrados na natureza. Eles são usualmente usados por terem propriedades
que faltam aos NI, como por exemplo, a etil vanilina (fig. 9), que possuí um
limiar de odor menor que a vanilina, e é mais solúvel em solventes orgânicos,
sendo mais conveniente para o uso em flavors com base oleosa (Goodner &
Rouseff, 2011).
3.2. Indústria de flavor
Flavors e fragrâncias são componentes amplamente usados nas
indústrias de alimentos, bebidas e cosméticos. O preço destes produtos varia
de acordo com os métodos usados para a produção, um exemplo típico dessa
variação é a baunilha. O preço da baunilha vinda de extração vegetal varia
entre US$1200 e US$4000 por quilo. Em contraste, o preço da baunilha por
síntese química de guaiacol é menor que US$15. Recentemente, de acordo
com o FDA (Food and Drugs Administration) dos Estados Unidos e a legislação
Europeia, produtos obtidos por processos biotecnológicos podem ser
considerados naturais se o substrato usado no processo for de origem natural.
Logo, muitos dos estudos recentes têm em foco a produção biotecnológica de
flavors e fragrâncias (Xu, Hua, & Ma, 2007).
A demanda mundial por estes compostos - incluindo misturas de flavor e
fragrâncias, óleos essenciais e aromas químicos - irá crescer 4,4% anualmente
Figura 7. Vanilina
Figura 8. Etil vanilina
8
até 2016, alcançando um mercado de 26,5 bilhões de dólares. O aumento da
produção de alimentos processados, especialmente produtos que requerem
uma alta concentração de flavors, vai determinar um rápido crescimento do
mercado, especialmente em países em desenvolvimento.
O acelerado desenvolvimento da renda e urbanização em países
emergentes está estimulando o interesse em alimentos processados, como
congelados, e “fast food”, o que impulsionará o setor de alimentos e bebidas, já
que estas comidas necessitam de altas porcentagens de flavors para preservar
o gosto em uma manufatura de larga escala. Este fato acarretará o rápido
crescimento da indústria de flavor em países como China e Índia, além de
países na América do Sul (World Flavors & Fragrances Market, October,
2012).
As indústrias de fragrância e flavors desenvolvem produtos únicos e
inovadores para os seus clientes ao redor do mundo. O foco de investimento
da indústria é o crescimento em mercados em desenvolvimento, com produtos
como alimentos processados, bebidas, cuidados pessoais e para residências.
Dentre estas indústrias destaca-se a Givaudan S.A. responsável por 25% da
produção mundial. Dentre os objetivos mais buscados estão sabores autênticos
para macarrões instantâneos, bebidas energéticas, lanches prontos e soluções
de sabor que possuem bom custo benefício (Report, 2013).
Os clientes preferenciais da indústria de favor são os grandes produtores
de alimentos como Unilever, Kraft Foods Inc. e Nestlé S.A (McLaughlin, 24, Jun
2012).
3.3. Produção
Plantas são fontes ricas para a extração de flavor, muitas delas são
exploradas para aumentar o prazer e a gratificação em comidas e bebidas.
Estes vegetais produzem compostos de flavors desejáveis, porém com
rendimento variável e geralmente muito baixo, não sendo produzidos por todos
os tecidos das plantas, ou em todos os estágios de desenvolvimento. Na
verdade, eles são usualmente produzidos apenas em tecidos específicos
encontrados em órgãos específicos, como frutas, flores, folhas e raízes, e em
apenas alguns estágios de desenvolvimento. Além disso, outra restrição
importante é que muitos vegetais que produzem compostos de flavor, como a
9
baunilha e a canela, são limitadas a alguns lugares com geografia e clima
favoráveis ao seu crescimento.
Devido a essas restrições na extração e cultivo de plantas, foram feitas
tentativas de se explorar a produção de flavor através de metabólitos
secundários produzidos pelo cultivo de células, pela síntese química e também
pela produção biotecnológica como alternativa para a produção de um grande
número de compostos. Porém muitos consumidores ainda preferem compostos
naturais, ao invés de sintéticos (Havkin-Frenkel & Belanger, 2008).
3.3.1. Produção Química
Apenas após o século XIX o primeiro composto sintético de flavor foi
criado, transmitindo uma impressão “frutada” ele foi introduzido na forma de
cadeias curtas de ésteres de ácido graxo. Conforme as estruturas de base
foram sendo descobertas, mais compostos sintéticos ficaram disponíveis no
mercado (Armstrong & Yamazaki, 1986).
A maior parte da produção de flavours no mercado mundial é obtida por
síntese química. Menos de 5% dos compostos são extraídos de plantas e,
portanto, podem ser classificados como naturais (Xu, Hua, & Ma, 2007).
Apesar da preferência dos consumidores por produtos “naturais” ou
“orgânicos” ser um atrativo no setor alimentar, os benefícios econômicos da
produção de flavors naturais será certamente limitada a produtos das linhas de
alimentos consideradas premium, uma vez que estes compostos de flavor
possuem preços mais altos que seus análogos com produção por síntese
química (Schrader, Etschmann, Sell, Hilmer, & Rabenhorst, 2004).
3.3.1.1. Reação de Maillard
Desde que os alimentos são cozidos, a reação de Maillard possui um
papel importante na melhora de sua aparência e sabor. Esta reação tem sido
um desafio central e importante na indústria de alimentos, pois está relacionada
com aroma, sabor e cor, especialmente em processos tradicionais, como a
torrefação dos grãos de café e do cacau, a produção de pães, bolos e cereais e
o cozimento da carne. Além do mais, durante a reação de Maillard, é formada
nos alimentos uma grande variedade de produtos com importância nutricional
(Martins, Jongen, & Boekel, 2001).
10
A reação de Maillard é usualmente dividida em três partes. O estágio
inicial começa com a condensação entre um grupo amino e um açúcar redutor,
levando a formação de um N-glicosamina no caso de um açúcar aldose que se
rearranja no produto Amadori (ou Heyns, se o açúcar redutos for uma cetose).
O estágio intermediário começa com o produto Amadori/Heyns, passando
pelos produtos de fermentação do açúcar e liberando do grupo amino. A última
etapa leva a reações de desidratação, fragmentação, ciclização e
polimerização, nas quais o grupo amino participa novamente. Relacionado à
formação de flavor, a chamada degradação de Strecker é de máxima
importância, nela os aminoácidos são degradados por dicarbonilos formados
na reação de Maillard, levando a desaminação e à descarboxilação do
aminoácido. Deve-se mencionar também que as reações de degradação do
açúcar na ausência de grupos aminos (caramelizaçao) levam a formação de
produtos similares. Porém na reação de Maillard o grupo amino age como
catalisador, com rendimento maior e maior rapidez. Os possíveis caminhos que
a reação tomará dependem fortemente da temperatura, pressão e natureza dos
reagentes.
No caso de proteínas ou peptídeos, os grupos reagentes são os grupos
ε-amino das lisinas, pois os grupos α-amino estão presos na ligação peptídica e
não estão disponíveis para as reações de Maillard ou Strecker. Isso resulta em
comportamento diferente dos aminoácidos com relação às proteínas e
peptídeos. Para as proteínas, a reação de Maillard normalmente leva a
formação de ligações cruzadas, enquanto a pigmentação marrom ocorre
devido à formação de furfural que é polimerizado em melanoidinas. Uma visão
geral da reação é apresentada abaixo (fig. 10) (M.A.J.S. van Boekel, 2006).
11
Figura 9. Visão geral da reação de Maillard mostrando a formação de compostos de flavor
3.3.1.2. Formação de compostos de flavor pela reação
de Maillard
A origem dos compostos voláteis responsáveis pelo flavor é difícil de
determinar devido à suas múltiplas origens. O interesse demonstrado pela
indústria de alimentos vem do desejo de se controlar as características de
aroma, cor e sabor obtidos no cozimento, forneamento e torrefação de seus
produtos (Martins, Jongen, & Boekel, 2001). A formação dos compostos de
flavor pela reação de Maillard depende do (1) tipo de açúcar e aminoácidos
envolvidos e (2) da temperatura, pH e volume de água da reação. No geral, o
primeiro fator determina o tipo de flavor formado, enquanto o segundo define a
cinética da reação. Alguns exemplos do primeiro fator são os compostos
relacionados ao sabor da carne, em sua maioria eles contêm enxofre derivado
da cisteína e ribose (a partir dos nucleotídeos), enquanto que o aminoácido
prolina dá origem aos sabores do pão, arroz e pipoca. A tabela 1 mostra a
classe de alguns compostos importantes para formação de flavor, e a figura 11
indica onde eles são formados na reação de Maillard.
Os caminhos químicos gerais levando a classes de compostos são mais
ou menos conhecidos, mas ainda não se sabe como estes caminhos de reação
12
podem ser direcionados de forma desejada (M.A.J.S. van Boekel, 2006).
Figura 10. Esquema da reação de Maillard com glicose/glicina
Tabela 1 Visão geral de algumas classes de compostos de flavor formados pela reação de Maillard
Classe do
Composto Flavor/Aroma associado Exemplos
Pirazinas assados, tostados, cozidos Alimentos cozidos
Alquilapirazinas noz tostada café
Alquilapiridinas amargo, adstringente, queimado cevada, malte
Acilpiridinas bolacha craquer produtos de cereais
Pirrole Cereais produtos de cereais, café
Furanos doce, queimado, caramelo Alimentos cozidos
Oxazol noz, doces chocolate, carne, café
Tiofeno carnes carne assada
3.3.2. Produção Biotecnológica
Apesar de inicialmente o rótulo de produto “natural” ter sido um dos
principais motivos para a procura por métodos biotecnológicos alternativos para
a produção de flavor, atualmente, após várias décadas de pesquisa, o
conhecimento acumulado das vantagens inerentes da biocatálise é a força
motriz por trás de suas aplicações e continuidade de pesquisa neste campo.
13
Operações em condições amenas que protegem produtos instáveis, e a
funcionalização de precursores de moléculas complexas com alta
especificidade são dois dos fatores mais importantes que permitem a
biocatálise se impor sobre o uso da síntese química em certos casos
(Schrader, Etschmann, Sell, Hilmer, & Rabenhorst, 2004).
Existem três formas possíveis para a produção biotecnológica de flavor:
cultivo de células vegetais, enzimas isoladas ou por microrganismos (fig.12). A
biotransformação em culturas de tecidos de plantas é um processo caro devido
ao baixo rendimento dos compostos formados e ao crescimento lento das
células, portando este método pode sem empregado efetivamente apenas em
sistemas em que as vias bioquímicas do composto necessário são plenamente
conhecidas. Catálise microbiológica e enzimática têm como vantagens a alta
seletividade de substratos e os poucos produtos formados por reação,
resultando em um isolamento mais fácil do produto desejado no final do
processo de produção, e consequentemente, sendo consideradas as
estratégias mais promissoras (Xu, Hua, & Ma, 2007).
Figura 11. Processos biotecnológicos para a produção de flavor
3.3.2.1. Cultura de Células Vegetais
Plantas são fontes ricas para vários tipos de metabólitos secundários.
Mais de 80% dos aproximadamente 30.000 produtos naturais conhecidos tem
origem vegetal. A biotecnologia oferece a oportunidade de se explorar a célula,
14
tecido ou organismo realizando crescimento in vitro e os manipulando
geneticamente para se obter os compostos desejados(Rao & Ravishankar,
2002).
A cultura de células de plantas aparenta ser um método viável para uma
ampla variedade de flavors e aromas característicos de sua planta de origem.
Esta abordagem é baseada na capacidade exclusiva bioquímica e genética, e
no potencial de diferenciação das células das plantas (Longo & Sanromán,
2006).
Alguns autores resumem as vantagens da tecnologia de cultura celular
sobre o processo convencional de agricultura nos seguintes aspectos:
É independente da geografia e variações de estações do ano, de
interferências politicas e de outros fatores ambientais. Também oferece
um sistema de produção definido, o que garante um fornecimento
constante do produto, além de qualidade e produtividade uniforme.
É possível produzir novos compostos que não são normalmente
encontrados em plantas-mãe, diretamente ou através de
biotransformação de precursores baratos.
Espécies com alta seletividade podem ser selecionadas
Com a automatização do controle para crescimento celular e regulação
metabólica do processo, os custos podem ser diminuídos e a
produtividade aumentada.
Alta recuperação de produto no final do processo.
Rápida produção.
Há um grande número de cultura de células de plantas produzindo uma
quantidade maior de metabólitos do que as plantas intactas, entretanto, ainda
há problemas na produção de metabólitos secundários que merecem atenção
(tab.2) (Rao & Ravishankar, 2002).
15
Tabela 2. Estratégias para aumentar o rendimento de metabólitos secundários
1. Obtenção de linhagens de células com alta eficiência
2.
Seleção da linhagem com maior crescimento celular para a produção
de metabolitos de interesse
a Mutação de células
b Fácil manipulação do meio para aumento de rendimento
3.
Imobilização de células para se aumentar o rendimento de metabólitos
extracelular e facilitar as biotransformações
4.
Uso de elicitores para aumentar a produtividade em um curto período
de tempo
5. Permeação de metabólitos para facilitar processos de downstream
6.
Superação da inibição do meio devido ao excesso de produtos pela
adsorção dos metabólitos
7. Aumento de escala de culturas de célula em biorreatores convenientes
A tecnologia para a cultura de células em suspensão deve ser
desenvolvida, já que difere do método comumente usado para sistemas
microbiológicos. Sensibilidade ao cisalhamento, longos ciclos de crescimento,
perda progressiva de atividade biosintética e rara produção de secreção são
algumas das características da cultura de células vegetais que devem ser
analisadas com atenção.
Algumas estratégias foram desenvolvidas para estimular a atividade
biosintética, como a otimização das condições de cultivo celular, seleção de
linhagens com alta produtividade e alimentação continua de substratos.
Técnicas de imobilização celular podem ajudar a prolongar os períodos viáveis,
mantendo uma alta densidade celular nos biorreatores e reduzindo o estresse
por cisalhamento, entre outras vantagens. Além disso, a regulação do
metabolismo secundário em níveis bioquímicos e genéticos pode levar a uma
melhora no sistema de produção (Longo & Sanromán, 2006).
3.3.2.2. Produção Microbiológica
Por milhares de anos processos microbiológicos acompanham a
humanidade fazendo o papel decisivo, porem não reconhecido, de produzir
flavors para alimentos e bebidas, como pães, queijos, cervejas, vinhos e molho
de soja. Foi em 1923 que a primeira revisão microbiológica na produção de
16
flavor surgiu. Com o dinâmico desenvolvimento de técnicas modernas de
análise no meio do século XX, quando o isolamento, a separação
cromatográfica e a identificação de compostos voláteis se tornaram uma rotina,
foi possível ter uma base para a elucidação sistemática da geração de flavor
por microrganismos.
Atualmente, a produção biotecnológica de flavors é uma disciplina
amplamente conhecida na indústria química, com uma estimativa de 100
moléculas comercializadas produzidas por via enzimática ou microbiológica
(Berger, 2007).
Apesar do potencial metabólico para a biossíntese de flavors ser imenso
e da grande variedade de produtos valiosos detectados em culturas
microbiológicas, as concentrações normalmente encontradas são muitos
baixas para aplicações comerciais. Além disso, a diversidade metabólica
muitas vezes leva a um amplo espectro de produtos relacionados. Exceções a
essa regra são encontradas onde os compostos de flavor são derivados do
metabolismo primário do microrganismo, como é o caso de alguns compostos
não voláteis (ex.: ácido glutâmico e acido cítrico). Portanto, a conversão
biocatalitica de um precursor estruturalmente relacionado é uma estratégia
superior que permite um aumento da acumulação do produto de flavor
desejado.
Como um pré-requisito para esta estratégia, o precursor deve estar
presente na natureza e deve ser de fácil isolamento da fonte natural em
quantidades suficientes para ser economicamente viável. Além disso, se
produto e precursor estão intimamente relacionadas com respeito às suas
propriedades físico-químicas, uma recuperação seletiva de produto durante o
processamento torna-se um grande problema para o desenvolvimento de
bioprocessos(Dubal, Tilkari, Mimin, & Borkar, 2008).
A biossíntese de flavor por microrganismos como um metabólito
secundário pode ser realizado de duas maneiras(Longo & Sanromán, 2006):
Produção de flavor “in situ”, como uma parte integral do processo
de produção da bebida ou comida (ex. queijos, iogurtes, cervejas
e vinhos), o que determina as características organolépticas do
produto final.
17
Culturas de microrganismos selecionados para a obtenção de
compostos que podem ser isolados e usados como aditivos na
manufatura de alimentos. Esta estratégia permite a obtenção de
compostos considerados naturais.
Compostos aromáticos podem ser classificados em famílias baseado em
suas estruturas químicas e propriedades físico-químicas ou sensoriais (tab.3).
Classificações alternativas podem ser estabelecidas em função da família
química do precursor usado para sua bioconversão(Longo & Sanromán, 2006).
3.3.2.3. Produção Enzimática
Existem cerca de 2500 enzimas presentes na natureza, e cerca de 400
destas vem sendo comercializadas principalmente para síntese orgânica de
compostos estéricamente seletivos e na produção biotecnológica de flavor. O
mercado mundial de enzimas é de mais de US $1 bilhão (Berger, 2007).
O uso de catálise enzimática contorna diversos problemas encontrados
na produção química de flavors, como baixo rendimento e baixa seletividade
que leva a formação de reações indesejadas. Escolhendo as enzimas
adequadas, compostos enantioméricos puros podem ser obtidos em apensas
um passo, aumentando, portanto, a eficiência e diminuindo os custos de
recuperação de produto (Longo & Sanromán, 2006).
A maioria das enzimas usadas para a produção de alimentos em
biotecnologia compreende enzimas hidrolíticas, oxirredutases e outras (Dubal,
Tilkari, Mimin, & Borkar, 2008).
18
Tabela 3. Classificação de flavor baseada em sua estrutura química
Álcoois Aldeídos Ésters Ácidos Graxos Cetonas
1,2-butanodiol
2-butanol
2,3-butanodiol
etanol
2-etilbutanol
2-etilhexanol
2-heptanol
hexanol
isobutanol
2-metilbutanol
3-metilbutanol
2-metilpropanol
2-nonanol
cis-1,5-octadienol
3
2-octanol
1-octadienol 3
1-pentanol
feniletanol
2-feniletanol
acetaldeído
decanal
heptanal
cis-4-heptanal
hexanal
2-hexanal
isohexanal
2-metilbutanal
3-metilbutanal
2-metilpropanal
nonanal
trans-trans-2,4-
nonadienal
cis-2-nonenal
trans-2-nonenal
octanal
butanal
pentanal
propanal
propenal
acetato de metila
acetato de etila
butirato de etila
hexanato de etila
isobutanato de etila
octanato de etila
butanoato de etila
butanoato de isobutila
acetato de 2-metil-1-
butila
acetato de 3-metil-1-
butila
acetato de 3-octila
acetato de pentila
acetato fenetilico
butirato de propila
propanoato de 2-
hidroxietila
propanoato de 2-metil-2-
etil-3-hidroxietila
2-metilbutanoato de etila
3-metilbutanoato de etila
Acetato
butirato
Ácido capróico
decanoato
isobutirato
ácido 2-metilbutírico
ácido 3-metilbutírico
octanoato
acetato de fenil
propanoato
valerato
acetofenona
acetona
2,3-butenodiona
2,3-pentenodiona
2-butanona
3-hidroxi-2-
butanona
2-heptanona
2-hexanona
3-metil-2-butanona
4-metil-2-
pentanona
2-eneanona
2-octanona
1,3-octenona
2-pentanona
3-pentanona
2-tridecanona
2-hendecanona
Lactonas
δ-decalactona
ϒ-decalactona
ϒ-butirolactona
δ-dodecalactona
δ-octalactona
cis-6-dodecano-δ-
lactona
Compostos Aromáticos Pirazinas
vanilina
benzaldeído
ácool β-feniletil
trimetil benzendo
2,3-dietil-5-metilpirazina
2-etil-3,5-dimetilpirazina
2-metóxi-3-isopropilpirazina
Enzimas Hidrolíticas
Lipases
Lipases são serina hidrolases que catalisam a hidrólise de lipídeos à ácidos
graxos e glicerol. Em contraste com esterases, elas se encontram na interface
entre lipídeos e agua e apresentam baixa atividade em soluções aquosas.
Lipases possuem um papel importante na síntese orgânica e também na
produção biotecnológica de flavor. Extrato pancreático de porco e
especialmente, várias lipases de origem microbiológica são usadas na
hidrólise, esterificação (álcool e ácido), transesterificação (éster e álcool),
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interesterificação (éster e ácido) e transferência de grupos acil de ésteres para
outros nucleófilos como aminas e tiols (Dubal, Tilkari, Mimin, & Borkar, 2008).
Glicosidases
Glicosidases podem ser usadas para se melhorar o aroma de alguns vinhos
pela quebra da ligação glicosídica de terpenos voláteis e precursores de
moléculas de flavor. Terpenos em uvas são encontrados em sua maioria em
forma de ligações glicosídicas, não possuindo odores. A adição de enzimas
durante ou após a fermentação tem se provado o modo mais efetivo de se
melhorar a hidrólise dos compostos precursores do aroma e alcançar um
aumento no flavor do vinho.
Este fenômeno é agora explorado por indústrias de enzimas que produzem
especificamente β-glicosidase para o enriquecimento do aroma de certos
vinhos.
Glicosidases também podem ser utilizadas para sintetizar glicosídeos como
uma forma de liberação lenta de aromas. Flavors voláteis evaporam durante a
estocagem, levando a uma diminuição de sua concentração até o momento de
consumo, mas se eles estão presentes em uma ligação não volátil podem ser
liberados com o aquecimento do produto, otimizando as características
organolépticas. Glicosídeos são compostos adequados para a lenta liberação
de compostos de flavor, pois possuem baixa pressão de vapor e tem a
possibilidade de serem obtidos naturalmente (Longo & Sanromán, 2006).
Enzimas Oxirredutases
Lipoxigenase
Lipoxigenases, pertencentes à classe das oxirredutases, são dioxigenases
que catalisam a adição molecular de oxigênio às moléculas de ácidos graxos
poliinsaturados, possuindo isomerismo geométrico, no sistema cis,cis-1,4-
pentadieno (Batista, et al., 2002).
Essas enzimas têm grande importância no uso de enzimas derivadas de
plantas em larga escala na produção de flavors naturais, especificamente os
grupos de aldeídos e álcoois isoméricos com 6 carbonos (Dubal, Tilkari, Mimin,
& Borkar, 2008).
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Álcool Vanílico Oxidase
Álcool Vanílico Oxidase (AVO) é uma enzima do ascomiceto Penicillium
simplicissimim que converte uma grande variedade de 4-hidroxibenzil álcoois e
de 4-hidroxibenzil aminas em seus correspondentes aldeídos. A alta
especificidade para substrato torna possível se obter vanilina por duas vias. A
primeira sendo através do isso de AVO para a determinação oxidativa de
capsaicina, obtendo-se vanilina por meio da clivagem de capsaicina isolada da
pimenta conhecida como capsicum. A segunda pelo uso de AVO para a
catálise da oxidação de álcool vanílico em vanilina (Dubal, Tilkari, Mimin, &
Borkar, 2008).
21
4. Conclusão
Este trabalho revisou os principais métodos de produção de compostos
de flavor. A partir dos dados encontrados na bibliografia disponível, foi possível
realizar um apanhado dos principais métodos de produção de flavor. Foram
observadas as implicações econômicas e culturais no uso de compostos
naturais ao invés dos sintetizados quimicamente, uma exigência que o
mercado consumidor vem fazendo nos últimos anos. Os processos
biotecnológicos de cultivo de células vegetais, produção microbiológica e
produção enzimática se mostram como um caminho promissor para suprir a
demanda de flavors naturais. Tais processos apresentam também uma
metodologia de processos menos agressiva para o meio ambiente.
22
5. Obras Citadas
Armstrong, D. W., & Yamazaki, H. (1986). Natural Flavors Production: a
biotechnilogical approach. TIBETECH.
Batista, R. B., Oliveira, M. G., Pires, C. V., Lanna, A. C., Gomes, M. R., José, I.
C., et al. (dezembro de 2002). Efeito da Aplicação Foliar de Ácidos
Graxos na "Via das Lipoxigenases" de plantas de soja. Quimica Nova.
Berger, R. G. (2007). Flavours and Fragrances: Chemistry, Bioprocessing and
Susteainability. Springer.
Bosse, A. K., Fratz, M. A., & Zorn, H. (2013). Formation of complex natural
flavours by biotransformation of apple pomace with basidiomycetes.
Food Chemistry, pp. 2352-2959.
Burdock, G. A. (Dec 3, 2004). Fenaroli's Handbook of Flavor Ingredients. CRC
Press.
Dubal, S. A., Tilkari, Y. P., Mimin, S., & Borkar, I. V. (March de 2008).
Biotechnological routes in flavour industries. Advanced Biotech, pp. 20-
31.
Goodner, K., & Rouseff, R. (2011). Pratical Analysis of Flavor and Fragrance
Materials. Blackwell Publishing Ltd.
Havkin-Frenkel, D., & Belanger, F. C. (2008). Biotechnology in Flavor
Production. Blackwell Publishing.
Longo, M. A., & Sanromán, M. A. (2006). Production of food Aroma
Compounds: Microbial and Enzymatic Methodologies. Food Technology
and Biotechnology, pp. 335-353.
M.A.J.S. van Boekel. (4 de january de 2006). Formation of flavour compounds
in the Maillard reaction. Biotechnology Advances 24, pp. 230-233.
Martins, S. I., Jongen, W. M., & Boekel, M. A. (Nov de 2001). A review of
maillard reaction in foof and implications to kinetic modelling. Trends in
Food Science & Technology, pp. 364-373.
McLaughlin, K. (24, Jun 2012). Rocket Science? No, but Rocket Science Never
Produced a Chipotle Corn Chip. The Wall Street Journal.
(October, 2012). World Flavors & Fragrances Market. Freedonia.
23
Rao, S. R., & Ravishankar, G. (2002). Plant cell cultures: Chemical factories of
secondary metabolites. Biotechnology Advances, pp. 101-153.
Report, A. C. (2013). Givaudan-Engaging the senses.
Schrader, J., Etschmann, M., Sell, D., Hilmer, S.-M., & Rabenhorst, J. (2004).
Applied biocatalysis for the syntesis of natural flavour compounds-
current industrial process and future porpects. Biotechnology Letters, pp.
463-472.
Xu, P., Hua, D., & Ma, C. (2007). Microbial transformation of propenylbenzenes
for natural flavour production. Trends in Biotechnology.
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