Submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of Doctor of Technology: Biotechnology, Durban University of Technology, 2010. / Cassava, (Manihot esculenta Crantz), is used for the production of a variety of West African foods and ranks fourth in the list of major crops in developing countries after rice, wheat and maize. Gari is one of the most popular foods produced from cassava. Cassava may contain high levels of linamarin, a cyanogenic glucoside, which in its natural state is toxic to man. Therefore, some processing methods that can enhance the detoxification of cassava and lead to the improvement of the quality and hygienic safety of the food are vitally important for less toxic products to be obtained. Quality, safety and acceptability of traditional fermented foods may be improved through the use of starter cultures. There has been a trend recently to isolate wild-type strains from traditional products for use as starter cultures in food fermentation. A total of 74 bacterial strains and 21 yeast strains were isolated from a cassava mash fermentation process in a rural village in Benin, West Africa. These strains were assessed, together with 26 strains isolated at the CSIR from cassava samples sent from Benin previously, for phenotypic and technological properties. Twenty four presumptive lactic acid bacteria (LAB) were selected for further phenotypic, genotypic and technological characterization during a research visit to the BFE (now Max Rubner Institute of Nutrition and Food). After assessment, the strains VE 20, VE 36, VE 65b, VE 77 and VE 82 were chosen for further study as starter cultures. These L. plantarum strains were chosen on the basis of predominance and possession of suitable technological properties. The investigation of this study was complemented by further, similar studies on further Gari isolates in Germany by the BFE. That study was done independently from this study, but both studies served to select potential starter cultures for cassava fermentation for the production of Gari, as this was the common goal of the project. Thus, a wider final selection of potential starter cultures was decided on at the project level and this selection was further tested in fermentation experiments. A total of 17 strains were grown in optimized media in 2 L fermenters. These strains were freeze-dried and thereafter tested in lab-scale cassava mash fermentation trials. xiii The strains performed well in the small scale bucket fermentations. There was a rapid acidification evidenced by the increase in titratable acidity, ranging from 1.1 to 1.3 % at 24 hours, and 1.3 to 1.6 % at 48 hours. The effect of the starter was obvious in that it lowered the pH much faster and to lower levels than the control. It appeared that both the processing and starter culture addition played a role in the removal of cyanide during processing of the cassava into Gari. This was evident from the lower cyanide values obtained for fermentations that included starter cultures. The study also showed that especially the L. plantarum group strains could be produced as starter cultures at lower costs than compared to L. fermentum, W. paramesenteroides or L. mesenteroides strains. Overall the results of this study were crucial for the project in showing that a starter culture which is easy and economical to produce and which has the desired attributes is a feasible possibility for application in the field.

As mandiocas utilizadas na produção da farinha contêm elevadas concentrações de glicosídeos cianogênicos, compostos que, após degradação, liberam cianeto na forma de ácido cianídrico (HCN) conferindo toxicidade à raiz. O processamento adequado da mandioca, para produção da farinha, resulta na degradação dos glicosídeos cianogênicos e na obtenção de um alimento com baixo teor de cianeto, o que gera a hipótese de liberação de HCN durante o processo. Neste contexto, o presente estudo objetivou avaliar a exposição de trabalhadores de casas-de-farinha ao HCN proveniente da mandioca, assim como identificar possíveis alterações clínicas e laboratoriais associadas a tal exposição. Foram incluídas no estudo 4 casa-de-farinha localizadas no Agreste Alagoano, microrregião de Arapiraca. A determinação de HCN em amostras de ar foi realizada de acordo com o método analítico 6010 recomendado pelo NIOSH. Cada casa foi monitorada em três pontos: dois em zona respiratória e um em ponto estático. Um total de 36 trabalhadores voluntários do sexo masculino distribuídos nas 4 casas-de-farinha foram selecionados para o estudo. Cada participante foi submetido à coleta de urina, sendo uma amostra pré-jornada e outra amostra pós-jornada e a uma coleta de sangue pré-jornada. O teor de tiocianato (SCN-) urinário foi quantificado espectrofotometricamente, enquanto que as outras avaliações bioquímicas foram realizadas em laboratório clínico. Os resultados indicam que os trabalhadores de casas-de-farinha estão expostos, cronicamente, a níveis atmosféricos de HCN dentro de um intervalo de 0,464±0,02 a 3,328±3,85 mg/m3 no ambiente de trabalho. A comparação entre os níveis atmosféricos determinados e os Limites de Exposição Ocupacional estabelecidos pelo NIOSH e ACGIH indica que trabalhadores de casas-de-farinha, podem estar expostos a níveis de HCN capazes de causar efeitos adversos à saúde. Os níveis médios de tiocianato urinário em mg/g de creatinina (10,62 - pré- jornada e 8,76 pós - jornada), foram significativamente superiores ao valor de referência para não fumantes e à média obtida no laboratório contratado para análise de SCN-, referente ao período de 2008 a 2010. Os resultados dos exames laboratoriais indicaram aumento nos níveis séricos de fosfatase alcalina nos trabalhadores de casas-de-farinha expostos ao HCN, com uma prevalência de 93,3%. Os trabalhadores foram submetidos ao exame clínico e não foram detectadas alterações características de exposição ao HCN. / Cassava used for flour production contains high amounts of cyanogenic glycosides, compounds that, after degradation, release hydrogen cyanide (HCN) which provide toxicity to these type of root. A suitable cassava processing results in the degradation of cyanogenic glycosides and in the production of a safety flour for consumption as food, which generates the hypothesis of HCN release during the process. In this context, the present study aimed to evaluate the HCN exposure of workers engaged in cassava processing, as well as, to identify possible clinical and laboratory alterations related to this exposure. It was included in the study 4 cassava processing facilities placed on Alagoas state, Brazil. It was conducted the determination of HCN in air samples according to the method 6010 proposed by NIOSH. Each industry was monitored in three points: two on workers respiratory zone and one static. A total of 36 male volunteers, distributed between the 4 facilities were included in the study. Each participant was submitted to urine sampling, been one before and other after work shift, and to one blood sampling before work shift. Urinary thiocyanate (SCN-) was spectrophotometrically determined, whereas the remaining biochemical evaluation was conducted in a commercial clinical laboratory. The results indicated that the cassava processors are chronically exposed to HCN at levels between 0,464±0,02 and 3,328±3,85 mg/m3, in the work environment. The comparison between the levels determined at the present study with the Occupational Exposure Limits (OEL) established by NIOSH and ACGIH indicated that cassava processors may be exposed to HCN levels capable of causing adverse health effects. The mean levels of urinary thiocyanate (10,62 - before shift and 8,76 - after shift), were significantly higher than the reference value for non smokers and also for the history mean obtained from the laboratory employed for SCN- analysis, during 2008-2010. The results of laboratorial evaluation indicated increase in the serum activity of alkaline phosphatase in cassava processors exposed to HCN, with a prevalence of 93,3%. The workers were submitted to clinical evaluation and it was not detected any alteration typical of HCN exposure.

As mandiocas utilizadas na produção da farinha contêm elevadas concentrações de glicosídeos cianogênicos, compostos que, após degradação, liberam cianeto na forma de ácido cianídrico (HCN) conferindo toxicidade à raiz. O processamento adequado da mandioca, para produção da farinha, resulta na degradação dos glicosídeos cianogênicos e na obtenção de um alimento com baixo teor de cianeto, o que gera a hipótese de liberação de HCN durante o processo. Neste contexto, o presente estudo objetivou avaliar a exposição de trabalhadores de casas-de-farinha ao HCN proveniente da mandioca, assim como identificar possíveis alterações clínicas e laboratoriais associadas a tal exposição. Foram incluídas no estudo 4 casa-de-farinha localizadas no Agreste Alagoano, microrregião de Arapiraca. A determinação de HCN em amostras de ar foi realizada de acordo com o método analítico 6010 recomendado pelo NIOSH. Cada casa foi monitorada em três pontos: dois em zona respiratória e um em ponto estático. Um total de 36 trabalhadores voluntários do sexo masculino distribuídos nas 4 casas-de-farinha foram selecionados para o estudo. Cada participante foi submetido à coleta de urina, sendo uma amostra pré-jornada e outra amostra pós-jornada e a uma coleta de sangue pré-jornada. O teor de tiocianato (SCN-) urinário foi quantificado espectrofotometricamente, enquanto que as outras avaliações bioquímicas foram realizadas em laboratório clínico. Os resultados indicam que os trabalhadores de casas-de-farinha estão expostos, cronicamente, a níveis atmosféricos de HCN dentro de um intervalo de 0,464±0,02 a 3,328±3,85 mg/m3 no ambiente de trabalho. A comparação entre os níveis atmosféricos determinados e os Limites de Exposição Ocupacional estabelecidos pelo NIOSH e ACGIH indica que trabalhadores de casas-de-farinha, podem estar expostos a níveis de HCN capazes de causar efeitos adversos à saúde. Os níveis médios de tiocianato urinário em mg/g de creatinina (10,62 - pré- jornada e 8,76 pós - jornada), foram significativamente superiores ao valor de referência para não fumantes e à média obtida no laboratório contratado para análise de SCN-, referente ao período de 2008 a 2010. Os resultados dos exames laboratoriais indicaram aumento nos níveis séricos de fosfatase alcalina nos trabalhadores de casas-de-farinha expostos ao HCN, com uma prevalência de 93,3%. Os trabalhadores foram submetidos ao exame clínico e não foram detectadas alterações características de exposição ao HCN. / Cassava used for flour production contains high amounts of cyanogenic glycosides, compounds that, after degradation, release hydrogen cyanide (HCN) which provide toxicity to these type of root. A suitable cassava processing results in the degradation of cyanogenic glycosides and in the production of a safety flour for consumption as food, which generates the hypothesis of HCN release during the process. In this context, the present study aimed to evaluate the HCN exposure of workers engaged in cassava processing, as well as, to identify possible clinical and laboratory alterations related to this exposure. It was included in the study 4 cassava processing facilities placed on Alagoas state, Brazil. It was conducted the determination of HCN in air samples according to the method 6010 proposed by NIOSH. Each industry was monitored in three points: two on workers respiratory zone and one static. A total of 36 male volunteers, distributed between the 4 facilities were included in the study. Each participant was submitted to urine sampling, been one before and other after work shift, and to one blood sampling before work shift. Urinary thiocyanate (SCN-) was spectrophotometrically determined, whereas the remaining biochemical evaluation was conducted in a commercial clinical laboratory. The results indicated that the cassava processors are chronically exposed to HCN at levels between 0,464±0,02 and 3,328±3,85 mg/m3, in the work environment. The comparison between the levels determined at the present study with the Occupational Exposure Limits (OEL) established by NIOSH and ACGIH indicated that cassava processors may be exposed to HCN levels capable of causing adverse health effects. The mean levels of urinary thiocyanate (10,62 - before shift and 8,76 - after shift), were significantly higher than the reference value for non smokers and also for the history mean obtained from the laboratory employed for SCN- analysis, during 2008-2010. The results of laboratorial evaluation indicated increase in the serum activity of alkaline phosphatase in cassava processors exposed to HCN, with a prevalence of 93,3%. The workers were submitted to clinical evaluation and it was not detected any alteration typical of HCN exposure.

O impacto ambiental causado pelo descarte indevido de embalagens a base de polímeros sintéticos, desperta interesse na necessidade de desenvolvimento de embalagens a partir de materiais biodegradáveis. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar bandejas a base de espuma de amido de mandioca para embalagem de alimentos, obtidas pelo processo de expansão térmica. Foram testadas diferentes proporções de amido e água, como agente expansor, na formulação das espumas de amido. Como plastificantes, foram utilizados o glicerol, sorbitol e poli (álcool vinílico) (PVA), nas concentrações de 2,5; 5,0 e 7,5% m/m sob a massa de amido. A fim de melhorar as características de hidrofilia das espumas, foi aplicado revestimento a base de poli (ácido lático) (PLA) na superfície das bandejas. Testou-se a aplicação das bandejas como embalagem no armazenamento de morangos. A caracterização das embalagens foi realizada através de análises de espessura e densidade, MEV, capacidade de absorção de água (CAA), solubilidade, isotermas de sorção, resistência à tração, ângulo de contato e degradação enzimática. A proporção amido:água que produziu espumas com a melhor combinação entre as características de densidade, capacidade de absorção de água e aspecto visual foi 47,5:52,5. O aditivo que resultou em espumas de amido com a maior possibilidade de aplicação como embalagem para alimentos, por apresentar a menor CAA, ser menos solúvel e com os valores mais baixos de umidade de equilíbrio, foi o PVA em concentração de 5%. A aplicação de revestimento a base de PLA na superfície das bandejas de espuma de amido resultou em diminuição de 86% na CAA das bandejas e ângulo de contato de 84,4° (maior hidrofobia). Os modelos que melhor se ajustam a isoterma de sorção das bandejas sem revestimento são os de GAB e Oswin. Enquanto que para bandejas com revestimento de PLA, o modelo de Oswin apresenta o melhor ajuste. O ensaio de degradação enzimática por amilases microbianas revelou ocorrência da hidrólise do amido nas primeiras 8 horas do teste, indicando característica de biodegradabilidade das bandejas. Os resultados do presente estudo, obtidos através do teste de aplicabilidade das bandejas, comprovam a possibilidade da utilização da embalagem à base de amido de mandioca revestidas com PLA em alimentos com alta atividade de água. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2015-06-25T13:40:08Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Fernanda Stoffel.pdf: 3201484 bytes, checksum: 203dc77998956c27e8e954d02d1b8c0e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-25T13:40:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Fernanda Stoffel.pdf: 3201484 bytes, checksum: 203dc77998956c27e8e954d02d1b8c0e (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul. / The environmental impact caused by improper disposal of packaging materials based on synthetic polymers, arouses interest in development packaging from biodegradable materials. The objective of this study was to develop and characterize trays base of cassava starch foam for food packaging, obtained by the thermal expansion process. Different proportions of starch and water, as blowing agent, in the formulation of the starch foams was tested. As plasticizers were used glycerol, sorbitol, and poly (vinyl alcohol) (PVA) at concentrations of 2.5; 5.0 and 7.5% w/w on starch weight. In order to improve the hydrophilic characteristics of the foams, coating was applied of poly (lactic acid) (PLA) in the surface of the trays. The application of the trays as packaging strawberries in storage was tested. Packaging characterization was performed by thickness and density analysis, SEM, water absorption capacity (WAC), solubility, sorption isotherms, tensile strength, angle of contact and enzymatic degradation. The ratio starch:water who produced foams with the best combination of density, water absorption capacity and visual aspect characteristics was 47.5:52.5. The starch additive resulted in foams with the highest possibility of application as packaging for food for presenting the lowest WAC be less soluble and lowest values equilibrium moisture, was PVA concentration of 5%. The use of PLA-based coating on the surface of the starch foam trays resulted in a decrease of 86% in WAC trays and contact angle of 84.4 ° (higher hydrophobicity). The models that best fit the sorption isotherm of uncoated trays are the GAB and Oswin models. While for trays with PLA coating, Oswin model presents the best fit. The assay of enzymatic degradation by microbial amylases revealed the occurrence of the hydrolysis of starch in the first 8 hours of the test, indicating the biodegradability characteristics of the trays. The results of this study, obtained through the applicability of the test trays prove the possibility of the use of tapioca starch-based packing covered with PLA foods with high water activity.

O impacto ambiental causado pelo descarte indevido de embalagens a base de polímeros sintéticos, desperta interesse na necessidade de desenvolvimento de embalagens a partir de materiais biodegradáveis. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar bandejas a base de espuma de amido de mandioca para embalagem de alimentos, obtidas pelo processo de expansão térmica. Foram testadas diferentes proporções de amido e água, como agente expansor, na formulação das espumas de amido. Como plastificantes, foram utilizados o glicerol, sorbitol e poli (álcool vinílico) (PVA), nas concentrações de 2,5; 5,0 e 7,5% m/m sob a massa de amido. A fim de melhorar as características de hidrofilia das espumas, foi aplicado revestimento a base de poli (ácido lático) (PLA) na superfície das bandejas. Testou-se a aplicação das bandejas como embalagem no armazenamento de morangos. A caracterização das embalagens foi realizada através de análises de espessura e densidade, MEV, capacidade de absorção de água (CAA), solubilidade, isotermas de sorção, resistência à tração, ângulo de contato e degradação enzimática. A proporção amido:água que produziu espumas com a melhor combinação entre as características de densidade, capacidade de absorção de água e aspecto visual foi 47,5:52,5. O aditivo que resultou em espumas de amido com a maior possibilidade de aplicação como embalagem para alimentos, por apresentar a menor CAA, ser menos solúvel e com os valores mais baixos de umidade de equilíbrio, foi o PVA em concentração de 5%. A aplicação de revestimento a base de PLA na superfície das bandejas de espuma de amido resultou em diminuição de 86% na CAA das bandejas e ângulo de contato de 84,4° (maior hidrofobia). Os modelos que melhor se ajustam a isoterma de sorção das bandejas sem revestimento são os de GAB e Oswin. Enquanto que para bandejas com revestimento de PLA, o modelo de Oswin apresenta o melhor ajuste. O ensaio de degradação enzimática por amilases microbianas revelou ocorrência da hidrólise do amido nas primeiras 8 horas do teste, indicando característica de biodegradabilidade das bandejas. Os resultados do presente estudo, obtidos através do teste de aplicabilidade das bandejas, comprovam a possibilidade da utilização da embalagem à base de amido de mandioca revestidas com PLA em alimentos com alta atividade de água. / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul. / The environmental impact caused by improper disposal of packaging materials based on synthetic polymers, arouses interest in development packaging from biodegradable materials. The objective of this study was to develop and characterize trays base of cassava starch foam for food packaging, obtained by the thermal expansion process. Different proportions of starch and water, as blowing agent, in the formulation of the starch foams was tested. As plasticizers were used glycerol, sorbitol, and poly (vinyl alcohol) (PVA) at concentrations of 2.5; 5.0 and 7.5% w/w on starch weight. In order to improve the hydrophilic characteristics of the foams, coating was applied of poly (lactic acid) (PLA) in the surface of the trays. The application of the trays as packaging strawberries in storage was tested. Packaging characterization was performed by thickness and density analysis, SEM, water absorption capacity (WAC), solubility, sorption isotherms, tensile strength, angle of contact and enzymatic degradation. The ratio starch:water who produced foams with the best combination of density, water absorption capacity and visual aspect characteristics was 47.5:52.5. The starch additive resulted in foams with the highest possibility of application as packaging for food for presenting the lowest WAC be less soluble and lowest values equilibrium moisture, was PVA concentration of 5%. The use of PLA-based coating on the surface of the starch foam trays resulted in a decrease of 86% in WAC trays and contact angle of 84.4 ° (higher hydrophobicity). The models that best fit the sorption isotherm of uncoated trays are the GAB and Oswin models. While for trays with PLA coating, Oswin model presents the best fit. The assay of enzymatic degradation by microbial amylases revealed the occurrence of the hydrolysis of starch in the first 8 hours of the test, indicating the biodegradability characteristics of the trays. The results of this study, obtained through the applicability of the test trays prove the possibility of the use of tapioca starch-based packing covered with PLA foods with high water activity.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5956.pdf: 2655473 bytes, checksum: dfaa0329652cfa24fb1dd3934c5b664b (MD5) Previous issue date: 2014-03-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The aim of this study was to evaluate the influence of hydraulic retention time (HRT), the origin of different inoculum (sludge from a UASB reactor for swine wastewater treatment and poultry slaughterhouse), and different carbon source (glucose, cassava processing wastewater and cheese whey) on the stability and efficiency of the anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) for producing hydrogen. Twelve identical reactors were used, and in two reactors the mixture of glucose with cheese whey (R1S, R2S) was used as a substrate, six reactors were used with mix cassava processing wastewater and glucose (R1M, R2M, R3M and R4M). It was evaluated use of cheese whey (R3S, R4S, R5s and R6S) and cassava processing wastewater (R5M and R6M). The AFBRs were inoculated with sludge from a UASB reactor used in the treatment of swine wastewater (R1S, R3S, R1M, R3M, R5S, R6S, R5M and R6M) and sludge from a UASB reactor that treated poultry slaughterhouse wastewater (R2S, R4S, R2M, R4M), both heat treated. Variations of HRT (12-1 h) and substrate concentrations were performed (2-15 g .L -1), with temperature control at 30 ° C. The reactors that used cheese whey as substrate showed a greatest potential for hydrogen production, with yields (HY) of 3.2 mmolH2.g-1COD (R6S) and 2.6 mmolH2.g-1COD (R5S) were obtained by applying a HRT of 6 and 14 hours, with a concentration of 3 and 5 g.L-1, respectively. Both substrates showed potential for the production of ethanol with yields (EtOHY) of 4.2 mmolEtOH.g-1COD (R6M) and 3.5 mmolEtOH.g-1COD (R2S). In the comparison between the two inocula used, both showed a balance in terms of hydrogen production, but in terms of ethanol production, the sludge from poultry slaughterhouse showed highest potential. By cloning and sequencing of the 16S rRNA gene for bacteria domain reactor R4S (whey), there was a predominance of the genus Selenomonas (69 % of the sequences) and Clostridium (8 % of the sequences). For the reactor R3M (glucose and cassava) analyzes cloning and sequencing of bacterial consortium revealed similarities with Lactobaccilus. As for the archaeal domain, the sequencing of the 16S rRNA gene had highly similar to the genus Methanobacterium (98.5 % and 95 % of the sequences), for R4S and R3M, respectively reactors. / O objetivo deste estudo foi avaliar a influência do tempo de detenção hidráulica (TDH), da origem de diferentes inóculos (lodo de suínos e lodo de aves), e da fonte de carbono (glicose, manipueira e soro de queijo) sobre a estabilidade e eficiência do reator anaeróbio de leito fluidizado (RALF) na produção de hidrogênio e etanol. Foram utilizados doze reatores idênticos, sendo que em dois reatores foram utilizados mistura de glicose com soro de queijo (R1S, R2S), seis reatores foram utilizados a mistura de água do processamento da mandioca (manipueira) e glicose (R1M, R2M, R3M e R4M). Também foi avaliado o uso individual do soro de queijo (R3S, R4S, R5S e R6S) e da manipueira (R5M e R6M). Os RALFs foram inoculados com lodo proveniente do tratamento de águas residuárias de suinocultura (R1S, R3S, R1M, R3M, R5S, R6S, R5M e R6M) e de águas residuárias do abatedouro de aves (R2S, R4S, R2M, R4M), ambos tratados termicamente. Foram realizadas variações de TDH (14-1 h) e concentrações de substrato (2- 15 g. L-1), com controle de temperatura a 30°C. Os reatores que utilizaram soro de queijo como substrato apresentaram um maior potencial para a produção de hidrogênio, com rendimentos (HY) de 3,2 mmolH2.g-1DQO (R6S) e 2,6 mmolH2.g-1DQO (R5S), por meio da aplicação de um TDH de 6 e 14 horas, com uma concentração de 3 e 5 g.L-1, respectivamente. Ambos os substratos apresentaram potencial para a produção de etanol, com rendimentos (EtOHY) de 4,2 mmolEtOH.g-1DQO (R6M) e 3,5 mmolEtOH.g-1DQO (R2S). Na comparação entre os dois inóculos utilizados, ambos apresentaram um equilíbrio em termos de produção de hidrogênio, porém em termos de produção de etanol, o lodo proveniente do abatedouro de aves apresentou um maior potencial. Por meio da clonagem e sequenciamento do gene RNAr 16S para o domínio bactéria do reator R4S (soro de queijo), houve a predominância do gênero Selenomonas (69% das sequências) e do gênero Clostridium (8% das sequências). Para o reator R3M (glicose e manipueira) as análises de clonagem e sequenciamento do consórcio bacteriano revelaram semelhanças com Lactobaccilus. Já para o domínio archaea, o sequenciamento do gene RNAr 16S, teve altas similaridades com gênero Methanobacterium (98,5% e 95% das sequências), para os reatores R4S e R3M, respectivamente.