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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13965 (2022) Citar este artigo

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A fermentação de etanol em alta temperatura por leveduras termotolerantes é considerada uma tecnologia promissora para a produção de etanol, especialmente em regiões tropicais e subtropicais. Neste estudo, foram realizadas condições de otimização para fermentação etanólica em alta temperatura de hidrolisado de resíduos de abacaxi (PWH) usando uma levedura termotolerante recém-isolada, Saccharomyces cerevisiae HG1.1, e a expressão de genes durante a fermentação etanólica a 40 °C. Três variáveis ​​independentes, incluindo concentração celular, pH e extrato de levedura, afetaram positivamente a produção de etanol a partir de PWH a 40 °C. Os níveis ótimos desses fatores significativos avaliados usando a metodologia de superfície de resposta (RSM) com base no planejamento composto central (CCD) foram uma concentração de células de 8,0 × 107 células/mL, um pH de 5,5 e uma concentração de extrato de levedura de 4,95 g/L. , rendendo concentração máxima de etanol de 36,85 g/L e produtividade de 3,07 g/L. A análise da expressão gênica durante a fermentação do etanol em alta temperatura usando RT-qPCR revelou que a aquisição da capacidade de termotolerância e eficiência da fermentação do etanol de S. cerevisiae HG1.1 estão associadas a genes responsáveis ​​pelo crescimento e estresse por etanol, estresse oxidativo, estresse por ácido acético, DNA reparo, a via do piruvato para ácido tricarboxílico (TCA) e a via do piruvato para etanol.

A crescente procura de energia incentiva os cientistas a encontrar fontes de energia alternativas de baixo custo, limpas, renováveis ​​e sustentáveis1,2,3. Um estudo comparativo da literatura sobre vários combustíveis alternativos, como etanol, óleos vegetais, óleos microbianos, biomassa, glicerol, biodiesel e hidrogênio, foi relatado4,5. O etanol comercial para biocombustível é produzido a partir de matérias-primas como cana-de-açúcar, milho e mandioca. Estas matérias-primas, que também são alimentos para as necessidades humanas e para a alimentação animal, têm preços competitivos6. Os resíduos agrícolas, especialmente os materiais lignocelulósicos, têm sido considerados promissores para a produção de bioetanol de segunda geração. A casca, o caroço, o caule e as folhas do abacaxi são subprodutos do processamento do abacaxi (aproximadamente 50% (p/p) do peso do abacaxi)7. Esses subprodutos são altamente biodegradáveis ​​e ricos em proteínas e carboidratos, que são matérias-primas promissoras e abundantes para a produção de etanol8,9. A Tailândia e o Vietnã são os principais países na produção de abacaxi, produzindo 2,21 e 0,59 milhões de toneladas métricas, respondendo por 8,91% e 2,38% da produção mundial, respectivamente10.

No verão, a temperatura na Tailândia e no Vietnã aumenta dramaticamente, o que aumentará com o aquecimento global. Além disso, a temperatura dentro de um biorreator pode subir de 30 °C para aproximadamente 40 °C durante a fermentação do etanol11. As altas temperaturas inibem o crescimento celular e a atividade metabólica das células de levedura, resultando em redução no rendimento do etanol e na produtividade volumétrica do etanol12,13. Portanto, o uso de microrganismos termotolerantes é uma abordagem promissora para solucionar o problema da produção de etanol em altas temperaturas. Existem diversas vantagens na utilização da fermentação com etanol em alta temperatura, como diminuição dos custos associados ao sistema de resfriamento, maiores rendimentos obtidos na sacarificação e redução do risco de contaminação por bactérias14,15. Embora muitas leveduras termotolerantes possam tolerar e fermentar em altas temperaturas, vários estresses, por exemplo, térmicos, etanólicos, osmóticos, iônicos, inibidores lignocelulósicos e espécies reativas de oxigênio (ROS), são condições desfavoráveis ​​para o crescimento da levedura e a atividade de fermentação. A desnaturação de DNA, proteínas, lipídios e estruturas celulares essenciais de células de levedura sob situações estressantes já foi relatada anteriormente16,17,18,19. No entanto, o mecanismo molecular que confere aquisição de termotolerância durante a fermentação de etanol em alta temperatura utilizando PWH como matéria-prima ainda não foi avaliado.