Microbiologia Industrial: Guia de Perguntas e Respostas

Parte 1: Fundamentos de Microbiologia Industrial

1. Discuta brevemente o papel dos microrganismos na produção de alimentos.

R: Hoje, a atividade microbiológica não é apenas conhecida, mas amplamente utilizada na produção de alimentos, através da fermentação, dando origem a variados tipos de alimentos, como pães, laticínios e bebidas alcoólicas, sendo também utilizados em conservas. Esses seres têm grande importância, visto que estão presentes em alimentos essenciais tanto do ponto de vista nutricional quanto econômico. Cada dia mais, microbiologistas vêm estudando o papel desses microrganismos na produção de alimentos para entender sua atuação e maximizar os processos produtivos.

2. Discuta brevemente o papel dos microrganismos na produção de combustíveis.

R: Microrganismos têm papel importante na produção de combustíveis, pois através da fermentação do milho é possível obter etanol. Além disso, na etapa final da biodegradação da matéria orgânica em ambientes anóxicos, ocorre o processo de formação de CH4 (metano).

3. Diferencie as células dos Domínios Bacteria e Eukarya.

R: Células do Domínio Bacteria possuem estrutura interna simples; núcleo não compartimentalizado e circular, não associado a histonas, ou seja, está livre no citoplasma; são muito pequenas, possuem apenas ribossomos, água, macromoléculas e íons inorgânicos em seu citoplasma.

Células do Domínio Eukarya são mais complexas e maiores; possuem diversas organelas envoltas por membrana, núcleo compartimentalizado por membrana nuclear e associado a histonas.

4. Apresente as principais características (forma, Gram, metabolismo energético, necessidade de O₂, motilidade, produto de interesse) de 2 grupos de bactérias que possuem importância industrial.

R: Bactérias Lácticas: Gram-positivas, são bacilos (Lactobacillus) e cocos G+ (Lactococcus) que não possuem estruturas para locomoção e produzem ácido lático. São anaeróbias aerotolerantes e obtêm energia somente do metabolismo de açúcares (fosforilação em nível de substrato). São importantes para a produção de laticínios como iogurtes, leite acidificado, entre outros.

Proteobactérias (Bactérias Acéticas): Gram-negativas, são bacilos móveis, aeróbios, que realizam a oxidação incompleta de álcoois e açúcares, levando ao acúmulo de ácidos orgânicos como produtos finais. São importantes na produção de vinagre e vitamina C.

5. Actinomicetos são bactérias gram-positivas filamentosas de grande importância industrial. Por quê? Dê exemplos.

Porque os actinomicetos são capazes de produzir diversos tipos de antibióticos, dos quais mais de 60 têm aplicação na medicina, veterinária, indústria e agricultura. Como por exemplo, o Streptomyces noursei, que tem atuação principal em infecções causadas por Candida, e o S. venezuelae, de amplo espectro, que atua contra a febre tifoide.

6. Em que tipo de meio – simples, definido ou complexo – você acredita que a Escherichia coli cresceria mais rapidamente? Por quê?

R: Ela cresceria em todos, mas cresceria mais rapidamente no meio complexo devido às diversas fontes de carbono disponíveis para ela.

7. Em que condições a fase lag não ocorre?

R: A fase lag não ocorre quando uma cultura em crescimento exponencial é inoculada no mesmo meio e nas mesmas condições de cultivo, não havendo a necessidade de sintetizar constituintes essenciais por parte dos organismos para que os mesmos possam voltar a crescer.

8. Compare um aerotolerante e um anaeróbio obrigatório, em termos de sensibilidade e capacidade de crescer na presença de oxigênio.

R: Organismos aerotolerantes não utilizam O2 em seu metabolismo, mas são capazes de sobreviver na sua presença. Já organismos anaeróbios obrigatórios não utilizam O2 e não sobrevivem na presença do mesmo.

9. Como deve ser preparado o inóculo para uma fermentação industrial a partir do tubo de cultura?

R: O preparo do inóculo possui duas etapas: a laboratorial e a industrial. Na etapa laboratorial, prepara-se inicialmente o inóculo em um tubo de ensaio, transferindo-o em seguida para um Erlenmeyer e, por conseguinte, para outros de maior tamanho. Nesse processo, realiza-se a diluição e o aumento da concentração de açúcar (substrato) até que se chegue à etapa industrial. Nesta, o material presente nos Erlenmeyers deve ser passado para um pré-fermentador, e então o material estará pronto para a produção do etanol.

10. Em relação ao metabolismo energético defina os organismos quimiorganotróficos, quimiolitotróficos e os fototróficos. Que fontes de carbono são utilizadas por esses organismos?

R: Organismos quimiorganotróficos utilizam compostos orgânicos como fonte de energia. Organismos quimiolitotróficos utilizam compostos inorgânicos, e os fototróficos utilizam a luz como fonte de energia.

11. Suponha que você tenha recebido duas culturas de bactérias bacilares, uma contendo organismos Gram-positivos e a outra, Gram-negativos. Como você poderia fazer a distinção entre elas empregando um microscópio óptico?

R: Utilizaria a técnica da coloração de Gram, onde as bactérias Gram-positivas se coram em roxo, devido ao cristal violeta, e as Gram-negativas se coram em rosa ou vermelho devido à safranina.

12. Explique como um endósporo bacteriano difere de uma célula vegetativa.

R: O endósporo possui atividade enzimática baixa ou ausente, metabolismo baixo ou ausente, não há síntese de macromoléculas, parede celular mais espessa, alta resistência ao calor, radiação e agentes químicos, presença de ácido dipicolínico e PPASs, e alto conteúdo de cálcio e baixo de água. Já a célula vegetativa possui elevada atividade enzimática, metabolismo elevado, há síntese de macromoléculas, baixo conteúdo de cálcio e alto de água, baixa resistência ao calor, radiação e agentes químicos, e ausência de ácido dipicolínico.

13. Archaea metanogênicas são procariotos anaeróbios estritos, cujo metabolismo está ligado à produção de metano. Como ocorre o processo de formação desse gás?

R: O processo de formação de CH4 é chamado de metanogênese e corresponde à etapa final da biodegradação da matéria orgânica em ambientes anóxicos.

14. Quais as funções das seguintes estruturas de células eucarióticas: retículo endoplasmático, complexo de Golgi e lisossomo.

R: O RE (Retículo Endoplasmático) tem como função o endereçamento de proteínas para outras organelas e a síntese de lipídios. O Complexo de Golgi atua como centro de armazenamento, transformação, empacotamento e remessa de substâncias na célula. E o lisossomo degrada substâncias orgânicas.

15. Por que as células entram na fase estacionária durante o crescimento microbiano?

R: Porque os nutrientes do meio estão ficando escassos e a quantidade de produtos tóxicos está aumentando. Assim, não há crescimento líquido da população, ou seja, o número de células que se dividem é equivalente ao número de células que morrem.

Parte 2: Aplicações Industriais e Processos

1. Por que as leveduras são tão importantes industrialmente?

R: São importantes industrialmente, pois são agentes de fermentação alcoólica na produção de álcool industrial e de todas as bebidas alcoólicas (destiladas ou não destiladas). São utilizadas na panificação, são fontes de proteína e de fatores de crescimento (passíveis de serem utilizadas na alimentação animal e, até mesmo, humana), e são empregadas na produção de vitaminas B e D, bem como na produção de enzimas para a indústria alimentícia. Além disso, são largamente encontradas na natureza, facilitando a obtenção de matéria-prima, se preciso for, sem contar com sua alta capacidade de se reproduzir em tão pouco tempo.

2. Descreva pelo menos uma das 5 etapas da fermentação alcoólica.

As 5 etapas da fermentação alcoólica são: Preparo do Substrato, Preparo do Mosto, Preparo do Inóculo, Fermentação e Destilação.

1. Preparo do Substrato – A partir da matéria-prima (cana-de-açúcar), extrai-se o substrato para a fermentação. Esta etapa envolve a recepção da cana, moagem e preparação do caldo, que é filtrado para eliminação de impurezas antes da adição da levedura. O conteúdo deve ser isento de sólidos e conter de 10% a 20% de açúcares totais.
2. Preparo do Mosto – O mosto é o meio de cultura ou meio reacional, onde podem ser adicionados nitrogênio, fósforo, vitaminas, entre outros, para enriquecer o caldo e obter o melhor rendimento.
3. Preparo do Inóculo (Pré-fermentação) – Na pré-fermentação, visa-se a multiplicação das leveduras através da aeração do processo. Inicia-se com baixa concentração de açúcares e utilizam-se nutrientes como Mg, N, K. Realiza-se a aeração, aquecimento, e há a utilização de antibióticos. (Verificar detalhes adicionais na questão sobre fermentação industrial - laboratorial e industrial).
4. Fermentação – É um processo realizado em condições de anaerobiose, onde os reatores de fermentação devem ser enchidos até o topo para que a camada de ar não seja muito espessa.
5. Destilação – Deve ser realizada para recuperar o produto do meio de fermentação.

OBS: Outros processos terão outros tipos de extração do seu produto do meio fermentado.

3. Qual a função do malte e da levedura na fabricação da cerveja?

O malte é o responsável pela cor e corpo (densidade) da cerveja, atuando também na composição do sabor e aroma. O cereal malteado fornece os aminoácidos necessários à levedura para a produção do álcool e do gás carbônico.

A levedura é um microrganismo que consome os açúcares presentes no mosto e libera álcool e gás carbônico. Além de fermentar a cerveja, a levedura influencia seu caráter e sabor.

4. Descreva o processo de produção do vinho branco.

O processo de produção do vinho branco envolve as seguintes etapas:

1. Remoção dos engaços.
2. Esmagamento das uvas.
3. Adição de SO2 ao mosto.
4. O sumo deve ser mantido em contato com as cascas por 16 a 24 horas.
5. Após isso, ocorre a prensagem, e a polpa é descartada.
6. Adiciona-se a levedura, e a mistura deve permanecer no tonel de fermentação por 10 a 15 dias.
7. Novamente, adiciona-se SO2, e o preparo deve sofrer envelhecimento por 5 meses.
8. Em seguida, adicionam-se agentes clarificantes.
9. Há filtragem.
10. Por fim, o vinho é levado para o envase.

5. Em relação à produção de penicilina, qual o significado do termo semissintético? E biossintético?

Semissintéticos: A produção ocorre pela adição química de uma cadeia lateral específica ao núcleo do ácido 6-APA no grupo 'R'.

Biossintéticos: A produção ocorre pela fermentação com adição de precursores.

6. Qual a relação entre ferro e a produção de ácido cítrico por Aspergillus niger?

O ácido cítrico é produzido microbiologicamente pelo bolor Aspergillus niger. Embora o ácido cítrico seja normalmente correlacionado ao ciclo do ácido cítrico, em determinados organismos, como Aspergillus niger, a excreção de grandes quantidades de ácido cítrico pode ser obtida porque o organismo utiliza citrato como um quelante de ferro, a fim de ser internalizado na célula. A fermentação do ácido cítrico é realizada aerobiamente em grandes fermentadores. Uma das necessidades básicas para um alto rendimento é o uso de meios deficientes em ferro. Assim, o meio utilizado na produção de ácido cítrico é tratado visando à remoção da maior parte do ferro.

7. Por que o O₂ é necessário na produção do vinagre?

Porque as bactérias acéticas são aeróbias estritas. Durante o crescimento, há uma elevada demanda de oxigênio, exigindo intensa aeração do meio para que ocorra a oxidação.

8. Quais as condições da fermentação de açúcares visando a produção do ácido lático?

Os substratos utilizados são glicose, lactose (soro de leite) e sacarose (caldo de cana). A concentração de açúcares é ajustada na faixa de 5% a 20%, de acordo com o microrganismo e a matéria-prima. Adicionam-se vitaminas B e aminoácidos. O pH deve estar na faixa de 5,5 e 6,0. A agitação deve ser em torno de 200 rpm. A temperatura ótima varia entre 20°C e 45°C, dependendo do microrganismo.

9. Quais os sistemas de cultivo utilizados para produção de enzimas? Descreva pelo menos um.

Os sistemas de cultivo utilizados para produção de enzimas são em superfície e submerso. O cultivo submerso pode ser de 3 tipos: batelada, batelada alimentada e contínuo. A batelada alimentada consiste na alimentação de forma contínua ou intermitente até alcançar o volume final.

10. Em relação à cinética de produção de enzimas, avalie o gráfico abaixo.

A produção da enzima A não está associada a uma fase específica do ciclo de crescimento; a produção da enzima B é sintetizada na fase de crescimento ativo; e a produção da enzima C aparece na fase estacionária de crescimento.

11. Quais as principais diferenças entre as linhagens de Saccharomyces cerevisiae utilizadas na fermentação alcoólica e na produção de fermento?

Produção de Fermento:

• Estabilidade durante a conservação da cultura;
• Capacidade de crescimento sob condições de elevada aeração;
• Elevada capacidade de propagação em substrato à base de melaço;
• Ativa capacidade fermentativa de massas;
• Resistência à autólise.

Fermentação Alcoólica:

• A linhagem deve possuir crescimento vigoroso;
• Baixa produção de glicerol;
• Elevada tolerância ao etanol.

12. Compare e diferencie a produção de antibióticos β-lactâmicos naturais, biossintéticos e semissintéticos.

Naturais: Ocorrem apenas pela fermentação.

Biossintéticos: Ocorrem pela fermentação com adição de precursores.

Semissintéticos: Ocorrem pela adição química de uma cadeia lateral específica ao núcleo do ácido 6-APA no grupo 'R'.

13. Explique como o vinho branco pode ser produzido tanto de uvas brancas como de uvas tintas.

O vinho branco pode ser produzido tanto de uvas brancas quanto de uvas tintas. No caso das uvas tintas, basta que se retire a casca das uvas para que a coloração não interfira no processo de produção do vinho branco, pois a polpa das uvas tintas não apresenta pigmentação como na casca.