Early Childhood Caries (ECC) is a burden worldwide which has a negative impact on children’s wellbeing and affects aesthetics, speech and mastication. It may lead to loss of space, creating problems that are difficult and expensive to manage in future. The International Association of Paediatric Dentistry (IAPD) declared that more than 600 million children worldwide are affected by ECC. Caries is a multifactorial disease and frequent excessive sugar consumption is noted as a major risk factor in the development of caries. It also contributes to other non-communicable diseases (NCDs) such as diabetes, obesity and cardiovascular disease. The well-established link between dental caries and dietary sugar, specifically sucrose, can be explained due to the fact that it can be fermented by microorganisms. The use of sugar substitutes may be justified as an effective way to prevent dental caries by modifying the metabolism of microorganisms which will lead to a reduction in lactic acid production in the mouth. This study explored the cariogenic potential of sugar substitutes. The aim of the study was to determine and compare the cariogenic potential of commercially available sugar substitutes namely: xylitol, erythritol and stevia. The data collected could be useful in finding a suitable substitute for sucrose, one of the main causative factors of ECC. A total of 52 enamel slabs were prepared from the surfaces of extracted primary teeth and placed in growth media before being inoculated with Streptococcus mutans (S. mutans). The enamel slabs and growth media were used to determine the Colony Forming Units (CFUs) of S. mutans after exposure to xylitol, erythritol and stevia and to determine the acid production of S. mutans in the presence of these sugar substitutes by measuring the acidity (pH) of the growth media. Biofilm formation in the presence of sucrose, xylitol, erythritol and stevia was confirmed by means of Scanning Electron Microscopy (SEM). Considering the CFUs, pH and SEM analysis, this study suggests that xylitol, erythritol and stevia are all less cariogenic alternatives to sucrose. Stevia has been shown to have the lowest cariogenic potential, followed by erythritol and then xylitol. These substitutes should however be used with caution as they still produced a drop in pH close to the critical demineralization level. From the literature studied, it is clear that ECC is a preventable disease. It is the dental professional’s duty to raise awareness with parents, caregivers, other health care professionals and all relevant stakeholders. Parents and patients should be educated to limit sugar intake and to substitute sugar with healthier alternatives such as xylitol, erythritol or stevia, which all proved to be less cariogenic than sucrose. / Dissertation (MSc Dent)--University of Pretoria, 2020. / Community Dentistry / MSc Dent / Unrestricted

L'étude a porté sur la conversion en presence de catalyseurs bimétaliques supportes de trois molécules modèles de polyols (érythritol, xylitol et sorbitol) en phase aqueuse à 150-240 ° C sous 30-120 bar de H2 pour obtenir sélectivement des produits linéaires C4, C5 et C6 désoxygénés qui sont des précurseurs de polymèrs. L'activité catalytique dépend fortement de la nature du support utilisé (TiO2 vs ZrO2) et la plus grande sélectivité pour les produits désoxygénés linéaires voulus C4, C5 et C6 à une conversion de 80% est de 71, 66 et 54%, respectivement, en présence de catalyseur mixte à base de rhodium et du rhenium à 200 ° C sous 80-120 bar. Les caractérisations des catalyseurs par chimisorption de CO, MET-EDX, TGA-MS et XPS suggèrent une distribution et une réductibilité différentes des espèces de Re sur les nanoparticules Rh supportées en fonction du support permettant d'expliquer ces différences / The aim of our research project reports a study of heterogeneously catalyzed conversion of three polyol model molecules (erythritol, xylitol, and sorbitol) in aqueous phase at 150-240 °C under 30-120 bar of H2 to obtain selectively linear deoxygenated C4, C5, and C6 products used as precursors for polymer applications. The activity was strongly dependent on the nature of the support (TiO2 vs ZrO2) and the highest selectivity to the desired linear deoxygenated C4, C5, and C6 products at 80% conversion reached 71, 66, and 54%, respectively, in the presence of Rh–ReOx bimetallic catalysts at 200°C under 80-120 bar. The characterizations of the catalysts by CO chemisorption, TEM-EDX, TGA-MS, and XPS suggest a different distribution and reducibility of Re species over the supported Rh nanoparticles depending on the support that can explain these differences

Microrganismos oriundos de ecossistemas restritivos como o continente Antártico têm despertado grande interesse científico, visto que pesquisas podem resultar em produtos de grande interesse comercial. Visando o melhor aproveitamento da fração hemicelulósica de biomassas vegetais para obtenção de bioprodutos, junto ao potencial biotecnológico das leveduras da Antártica, a presente pesquisa avaliou a tolerância destas ao hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em função de sua concentração, bem como em meio semi-definido. A avaliação das leveduras Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 e 107) e Guehomyces pullulans (L109) foi feita a partir do consumo de xilose, glicose, arabinose, ácido acético, compostos fenólicos totais, produção de xilitol, células e pigmentos. Os cultivos foram realizados em Erlenmeyer de 125 mL, com 50 mL de meio a 200 RPM, a 30 °C por 48h. Considerando que a L109 demonstrou melhor desempenho quanto ao consumo de xilose e produção de xilitol do que as demais leveduras, a mesma foi utilizada para avaliar a influência da suplementação nutricional do hidrolisado sobre estes parâmetros utilizando delineamento composto central rotacional (DCCR). Todas as leveduras consumiram totalmente a glicose independente da concentração do hidrolisado, enquanto o consumo de xilose, arabinose, ácido acético e fenóis totais variaram de acordo com a concentração do hidrolisado e a levedura empregada, da mesma forma para produção de xilitol, células e pigmento. O planejamento realizado (DCCR) demonstrou que o consumo de xilose é favorecido na máxima concentração do extrato de farelo de arroz, e níveis intermediários de (NH4)2SO4, enquanto que a concentração de CaCl2 não foi significativa. Para o fator Yp/s de xilitol, baixos níveis de extrato de farelo de arroz e CaCl2 aumentaram este fator enquanto que o (NH4)2SO4 favoreceu em níveis intermediários. Conclui-se com estes resultados que as leveduras da Antártica são capazes de tolerar o hidrolisado, sendo capazes também de consumir os compostos tóxicos, ácido acético e fenólicos totais. / Microorganisms from restrictive ecosystems such as Antarctica have aroused great scientific interest, since research studies may result in high value-added products. Given the need for better utilization of the hemicellulose fraction of biomass to obtain bioproducts, coupled with great biotechnological potential of the Antarctic yeast. This research evaluated the tolerance of these yeasts related to the hemicellulosic hydrolyzate from sugarcane bagasse at different concentrations, as well as in a semi-defined medium. Performance evaluation of the yeasts was based on consumption of xylose, glucose, arabinose, acetic acid, phenolics compounds, production of xylitol, cells and pigments. The following yeasts were employed: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 and 107) and Guehomyces pullulans (L109). Cultures were cultivated in 125 mL Erlenmeyer flasks with a 50 mL medium at 200 RPM and 30 °C for 48h. Since the L109 showed a better performance in relation to the xylose consumption and xylitol production than the other yeasts when cultivated in hemicellulosic hydrolyzate diluted with 25% distilled water, the same was used to evaluate the influence of nutritional supplementation of the hemicelulosic hydrolyzate utilizing central composite rotational design (CCRD). All yeasts completely consumed glucose regardless of the hemicelulosic hydrolyzate concentration; while the consumption of xylose, arabinose, acetic acid and phenolics varied according to the concentration of hydrolyzate and yeast employed, the same was observed with xylitol production, cells and pigment. The design (CCRD), demonstrated that the xylose consumption was favored by maximum the concentration of the rice bran extract, and intermediate levels of (NH4)2SO4, whereas the concentration of CaCl2 was not significant. For the conversion into xylitol, low levels of rice bran extract and CaCl2 increased YP/S, while (NH4)2SO4 favored at intermediate levels. It was concluded that the Antarctic yeast tolerate the hydrolyzed, being also able to consume toxic compounds such as acetic acid and phenolic compounds.

Microrganismos oriundos de ecossistemas restritivos como o continente Antártico têm despertado grande interesse científico, visto que pesquisas podem resultar em produtos de grande interesse comercial. Visando o melhor aproveitamento da fração hemicelulósica de biomassas vegetais para obtenção de bioprodutos, junto ao potencial biotecnológico das leveduras da Antártica, a presente pesquisa avaliou a tolerância destas ao hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em função de sua concentração, bem como em meio semi-definido. A avaliação das leveduras Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 e 107) e Guehomyces pullulans (L109) foi feita a partir do consumo de xilose, glicose, arabinose, ácido acético, compostos fenólicos totais, produção de xilitol, células e pigmentos. Os cultivos foram realizados em Erlenmeyer de 125 mL, com 50 mL de meio a 200 RPM, a 30 °C por 48h. Considerando que a L109 demonstrou melhor desempenho quanto ao consumo de xilose e produção de xilitol do que as demais leveduras, a mesma foi utilizada para avaliar a influência da suplementação nutricional do hidrolisado sobre estes parâmetros utilizando delineamento composto central rotacional (DCCR). Todas as leveduras consumiram totalmente a glicose independente da concentração do hidrolisado, enquanto o consumo de xilose, arabinose, ácido acético e fenóis totais variaram de acordo com a concentração do hidrolisado e a levedura empregada, da mesma forma para produção de xilitol, células e pigmento. O planejamento realizado (DCCR) demonstrou que o consumo de xilose é favorecido na máxima concentração do extrato de farelo de arroz, e níveis intermediários de (NH4)2SO4, enquanto que a concentração de CaCl2 não foi significativa. Para o fator Yp/s de xilitol, baixos níveis de extrato de farelo de arroz e CaCl2 aumentaram este fator enquanto que o (NH4)2SO4 favoreceu em níveis intermediários. Conclui-se com estes resultados que as leveduras da Antártica são capazes de tolerar o hidrolisado, sendo capazes também de consumir os compostos tóxicos, ácido acético e fenólicos totais. / Microorganisms from restrictive ecosystems such as Antarctica have aroused great scientific interest, since research studies may result in high value-added products. Given the need for better utilization of the hemicellulose fraction of biomass to obtain bioproducts, coupled with great biotechnological potential of the Antarctic yeast. This research evaluated the tolerance of these yeasts related to the hemicellulosic hydrolyzate from sugarcane bagasse at different concentrations, as well as in a semi-defined medium. Performance evaluation of the yeasts was based on consumption of xylose, glucose, arabinose, acetic acid, phenolics compounds, production of xylitol, cells and pigments. The following yeasts were employed: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 and 107) and Guehomyces pullulans (L109). Cultures were cultivated in 125 mL Erlenmeyer flasks with a 50 mL medium at 200 RPM and 30 °C for 48h. Since the L109 showed a better performance in relation to the xylose consumption and xylitol production than the other yeasts when cultivated in hemicellulosic hydrolyzate diluted with 25% distilled water, the same was used to evaluate the influence of nutritional supplementation of the hemicelulosic hydrolyzate utilizing central composite rotational design (CCRD). All yeasts completely consumed glucose regardless of the hemicelulosic hydrolyzate concentration; while the consumption of xylose, arabinose, acetic acid and phenolics varied according to the concentration of hydrolyzate and yeast employed, the same was observed with xylitol production, cells and pigment. The design (CCRD), demonstrated that the xylose consumption was favored by maximum the concentration of the rice bran extract, and intermediate levels of (NH4)2SO4, whereas the concentration of CaCl2 was not significant. For the conversion into xylitol, low levels of rice bran extract and CaCl2 increased YP/S, while (NH4)2SO4 favored at intermediate levels. It was concluded that the Antarctic yeast tolerate the hydrolyzed, being also able to consume toxic compounds such as acetic acid and phenolic compounds.

A crescente demanda pelo etanol combustível para reduzir a dependência e promover a substituição de combustíveis fósseis, contribuirá para maior acúmulo de bagaço de cana no ambiente. Esta biomassa que é no Brasil um subproduto do setor sucroalcooleiro, embora venha sendo empregada para a geração de energia na produção de açúcar e álcool, pode ter seu aproveitamento alternativo para a obtenção de especialidades como o xilitol contribuindo para trazer vantagens econômicas para este setor. Neste sentido, pesquisas vêm sendo feitas para o aproveitamento biotecnológico do bagaço de cana para a produção de xilitol, um poliol com características peculiares como seu poder adoçante semelhante ao da sacarose, não cariogênico e indicado para diabéticos e obesos bem como no tratamento de doenças respiratórias e na prevenção de osteoporose. Sua produção comercial ocorre por catálise química da xilose proveniente de materiais lignocelulósicos ricos em xilana o que é de custo elevado. Para a obtenção biotecnológica de xilitol a partir destes materiais, inicialmente é necessária a desconstrução da matriz polimérica destes para a separação de suas principais frações: celulose, hemicelulose e ligninina. No caso do xilitol, a fração de interesse é a hemicelulose por ser constituída principalmente da pentose xilose, substrato para este bioprocesso. A hidrólise ácida diluída tem sido comumente empregada nas pesquisas para a obtenção do hidrolisado hemicelulósico rico em xilose. Entretanto, neste processo ocorre também a liberação/formação de compostos tóxicos aos micro-organismos, inibidores de atividades enzimáticas como fenólicos, ácidos orgânicos, furfural, hidroximetilfurfural além de íons metálicos. No presente trabalho, foram empregadas duas metodologias de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana: elevação do pH para 7,0 com óxido de cálcio seguida do abaixamento para 2,5 com ácido fosfórico, combinada à adsorção em carvão vegetal ativado (1,0% p/v, 100rpm, 30 min. a 60°C); e floculação por polímero vegetal (15% p/v, 200rpm, 15min. a 25°C). Avaliação da eficácia destes procedimentos foi feita quanto à remoção de tóxicos e à fermentabilidade do hidrolisado, avaliada pela bioconversão de xilose em xilitol empregando a levedura Candida guiliermondii. De acordo com os resultados, a alteração de pH combinada à adsorção com carvão ativo propiciou maior remoção de compostos fenólicos (80%), com consequente favorecimento dos parâmetros fermentativos rendimento (YP/S=0,78g/g) e produtividade (QP=0,48g/L.h) de xilitol, enquanto a utilização de polímero levou à maior perda dos íons cromo e ferro (superior a 90%), além de níquel. Pela avaliação das atividades das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XD), responsáveis pelos passos iniciais da bioconversão de xilose em xilitol, pode-se constatar que não há uma correlação entre as suas máximas atividades e a condição de maior remoção de tóxicos e máximos parâmetros fermentativos. Isto pode ser constatado pelo fato de que a máxima atividade da XR (0,446 U/mgprot) foi obtida no experimento controle no qual o hidrolisado foi submetido apenas ao ajuste de pH para a fermentação (pH=5,5) enquanto para a XD esta foi máxima (0,565 U/mgprot) com a utilização do polímero vegetal. / The increasing search for ethanol fuel in order to reduce the dependence and to promote the substitution of fossil fuels will contribute to higher accumulation of sugarcane bagasse in the environment. This biomass that in Brazil is a by-product of the sugar-alcohol mills, although it has been used for the generation of energy in the sugar and alcohol production, can also be used as alternative for obtainment of xylitol, contributing to bring economical advantages for sugar-alcohol mills. In this sense, researches has been performed for the biotechnological use of sugarcane bagasse for the production of xylitol, a polyol with peculiar characteristics like its sweetener power similar to that of saccharose, non-cariogenic and indicated for diabetics and obese people, as well in the treatment of respiratory diseases and in the osteoporosis prevention. Its commercial production occurs by chemical catalysis of the xylose from the rich-xylan lignocellulosic materials, which has high cost. For the biotechnological xylitol production from these materials, initially the polymeric matrix deconstruction is necessary for separation of their main fractions: the cellulose, hemicellulose and lignin. In the case of xylitol, the fraction of interest is the hemicellulose due to be constituted mainly of pentose xylose, substrate for this bioprocess. The diluted acid hydrolysis has been commonly used in the researches for the obtainment of rich-xylose hemicellulosic hydrolysates. However, in this bioprocess there is also the release/formation of toxic compounds to the microorganisms, inhibitors of enzymatic activities like phenolics, organic acids, furfural, hidroxymethilfurfural, besides metallic ions. In the present work, two detoxification methodologies for sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate were used: increase of pH to 7,0 with calcium oxide, followed by the decrease to 2,5 with phosphoric acid combined with the active charcoal adsorption (1,0% w/v, 100rpm, 30min, 60°C); and vegetal polymer flocculation (15% w/v, 200rpm, 15min, 25ºC). The efficiency of these procedures was evaluated by the toxics removal analysis and the xylose-into-xylitol bioconversion using Candida guilliermondii yeast. According to the results, the pH alteration combined with the active charcoal adsorption provided higher phenolic compounds removal (80%) with consequent enhance of the fermentative parameters, yield (YP/S = 0,78g/g) and volumetric productivity (QP=0,48g/L.h) of xylitol, while vegetal polymer provide the greatest loss of ions chrome and iron (higher than 90%), beyond zinc. Evaluating the activities of the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XD), responsible for the initial steps of the xylose-into-xylitol bioconversion, it can be verified that there is not a correlation between their maximum activities and the condition of higher toxics removal and maximum fermentative parameters. This can be proved by the fact of the XR maximum activity (0,446 U/mgprot) was obtained in the control experiment, in which the hydrolysate was submitted only to pH adjustment for the fermentation (pH=5,5), while for XD this activity was maximum (0,565 U/mgprot) with use of vegetal polymer.

A crescente demanda pelo etanol combustível para reduzir a dependência e promover a substituição de combustíveis fósseis, contribuirá para maior acúmulo de bagaço de cana no ambiente. Esta biomassa que é no Brasil um subproduto do setor sucroalcooleiro, embora venha sendo empregada para a geração de energia na produção de açúcar e álcool, pode ter seu aproveitamento alternativo para a obtenção de especialidades como o xilitol contribuindo para trazer vantagens econômicas para este setor. Neste sentido, pesquisas vêm sendo feitas para o aproveitamento biotecnológico do bagaço de cana para a produção de xilitol, um poliol com características peculiares como seu poder adoçante semelhante ao da sacarose, não cariogênico e indicado para diabéticos e obesos bem como no tratamento de doenças respiratórias e na prevenção de osteoporose. Sua produção comercial ocorre por catálise química da xilose proveniente de materiais lignocelulósicos ricos em xilana o que é de custo elevado. Para a obtenção biotecnológica de xilitol a partir destes materiais, inicialmente é necessária a desconstrução da matriz polimérica destes para a separação de suas principais frações: celulose, hemicelulose e ligninina. No caso do xilitol, a fração de interesse é a hemicelulose por ser constituída principalmente da pentose xilose, substrato para este bioprocesso. A hidrólise ácida diluída tem sido comumente empregada nas pesquisas para a obtenção do hidrolisado hemicelulósico rico em xilose. Entretanto, neste processo ocorre também a liberação/formação de compostos tóxicos aos micro-organismos, inibidores de atividades enzimáticas como fenólicos, ácidos orgânicos, furfural, hidroximetilfurfural além de íons metálicos. No presente trabalho, foram empregadas duas metodologias de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana: elevação do pH para 7,0 com óxido de cálcio seguida do abaixamento para 2,5 com ácido fosfórico, combinada à adsorção em carvão vegetal ativado (1,0% p/v, 100rpm, 30 min. a 60°C); e floculação por polímero vegetal (15% p/v, 200rpm, 15min. a 25°C). Avaliação da eficácia destes procedimentos foi feita quanto à remoção de tóxicos e à fermentabilidade do hidrolisado, avaliada pela bioconversão de xilose em xilitol empregando a levedura Candida guiliermondii. De acordo com os resultados, a alteração de pH combinada à adsorção com carvão ativo propiciou maior remoção de compostos fenólicos (80%), com consequente favorecimento dos parâmetros fermentativos rendimento (YP/S=0,78g/g) e produtividade (QP=0,48g/L.h) de xilitol, enquanto a utilização de polímero levou à maior perda dos íons cromo e ferro (superior a 90%), além de níquel. Pela avaliação das atividades das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XD), responsáveis pelos passos iniciais da bioconversão de xilose em xilitol, pode-se constatar que não há uma correlação entre as suas máximas atividades e a condição de maior remoção de tóxicos e máximos parâmetros fermentativos. Isto pode ser constatado pelo fato de que a máxima atividade da XR (0,446 U/mgprot) foi obtida no experimento controle no qual o hidrolisado foi submetido apenas ao ajuste de pH para a fermentação (pH=5,5) enquanto para a XD esta foi máxima (0,565 U/mgprot) com a utilização do polímero vegetal. / The increasing search for ethanol fuel in order to reduce the dependence and to promote the substitution of fossil fuels will contribute to higher accumulation of sugarcane bagasse in the environment. This biomass that in Brazil is a by-product of the sugar-alcohol mills, although it has been used for the generation of energy in the sugar and alcohol production, can also be used as alternative for obtainment of xylitol, contributing to bring economical advantages for sugar-alcohol mills. In this sense, researches has been performed for the biotechnological use of sugarcane bagasse for the production of xylitol, a polyol with peculiar characteristics like its sweetener power similar to that of saccharose, non-cariogenic and indicated for diabetics and obese people, as well in the treatment of respiratory diseases and in the osteoporosis prevention. Its commercial production occurs by chemical catalysis of the xylose from the rich-xylan lignocellulosic materials, which has high cost. For the biotechnological xylitol production from these materials, initially the polymeric matrix deconstruction is necessary for separation of their main fractions: the cellulose, hemicellulose and lignin. In the case of xylitol, the fraction of interest is the hemicellulose due to be constituted mainly of pentose xylose, substrate for this bioprocess. The diluted acid hydrolysis has been commonly used in the researches for the obtainment of rich-xylose hemicellulosic hydrolysates. However, in this bioprocess there is also the release/formation of toxic compounds to the microorganisms, inhibitors of enzymatic activities like phenolics, organic acids, furfural, hidroxymethilfurfural, besides metallic ions. In the present work, two detoxification methodologies for sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate were used: increase of pH to 7,0 with calcium oxide, followed by the decrease to 2,5 with phosphoric acid combined with the active charcoal adsorption (1,0% w/v, 100rpm, 30min, 60°C); and vegetal polymer flocculation (15% w/v, 200rpm, 15min, 25ºC). The efficiency of these procedures was evaluated by the toxics removal analysis and the xylose-into-xylitol bioconversion using Candida guilliermondii yeast. According to the results, the pH alteration combined with the active charcoal adsorption provided higher phenolic compounds removal (80%) with consequent enhance of the fermentative parameters, yield (YP/S = 0,78g/g) and volumetric productivity (QP=0,48g/L.h) of xylitol, while vegetal polymer provide the greatest loss of ions chrome and iron (higher than 90%), beyond zinc. Evaluating the activities of the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XD), responsible for the initial steps of the xylose-into-xylitol bioconversion, it can be verified that there is not a correlation between their maximum activities and the condition of higher toxics removal and maximum fermentative parameters. This can be proved by the fact of the XR maximum activity (0,446 U/mgprot) was obtained in the control experiment, in which the hydrolysate was submitted only to pH adjustment for the fermentation (pH=5,5), while for XD this activity was maximum (0,565 U/mgprot) with use of vegetal polymer.

Ethanol from lignocellulosic biomass is a promising alternative to rapidly depleting oil reserves. However, natural recalcitrance of lignocelluloses to biological and chemical treatments presents major engineering challenges in designing an ethanol conversion process. Current methods for pretreatment and hydrolysis of lignocelluloses generate a mixture of pentose (C5) and hexose (C6) sugars, and several microbial growth inhibitors such as acetic acid and phenolic compounds. Hence, an efficient ethanol production process requires a fermenting microorganism not only capable of converting mixed sugars to ethanol with high yield and productivity, but also having high tolerance to inhibitors. Although recombinant bacteria and yeast strains have been developed, ethanol yield and productivity from C5 sugars in the presence of inhibitors remain low and need to be further improved for a commercial ethanol production. The overarching objective of this work is to transform Zymomonas mobilis into an efficient whole-cell biocatalyst for ethanol production from lignocelluloses. Z. mobilis, a natural ethanologen, is ideal for this application but xylose (a C5 sugar) is not its 'natural' substrate. Back in 1995, researches at National Renewable Energy Laboratory (NREL) had managed to overcome this obstacle by metabolically engineering Z. mobilis to utilize xylose. However, even after more than a decade of research, xylose fermentation by Z. mobilis is still inefficient compared to that of glucose. For example, volumetric productivity of ethanol from xylose fermentation is 3- to 4- fold lower than that from glucose fermentation. Further reduction or complete inhibition of xylose fermentation occurs under adverse conditions. Also, high concentrations of xylose do not get metabolized completely. Thus, improvement in xylose fermentation by Z. mobilis is required. In this work, xylose fermentation in a metabolically engineered Z. mobilis was markedly improved by applying the technique of adaptive mutation. The adapted strain was able to grow on 10% (w/v) xylose and rapidly ferment xylose to ethanol within 2 days and retained high ethanol yield. Similarly, in mixed glucose-xylose fermentation, the strain produced a total of 9% (w/v) ethanol from two doses of 5% glucose and 5% xylose (or a total of 10% glucose and 10% xylose). Investigation was done to identify the molecular basis for efficient biocatalysis. An altered xylitol metabolism with reduced xylitol formation, increased xylitol tolerance and higher xylose isomerase activity were found to contribute towards improvement in xylose fermentation. Lower xylitol production in adapted strain was due to a single mutation in ZMO0976 gene, which drastically lowered the reductase activity of ZMO0976 protein. ZMO0976 was characterized as a novel aldo-keto reductase capable of reducing xylose, xylulose, benzaldehyde, furfural, 5-hydroxymethyl furfural, and acetaldehyde, but not glucose or fructose. It exhibited nearly 150-times higher affinity with benzaldehyde than xylose. Knockout of ZMO0976 was found to facilitate the establishment of xylose fermentation in Z. mobilis ZM4. Equipped with molecular level understanding of the biocatalytic process and insight into Z. mobilis central carbon metabolism, further genetic engineering of Z. mobilis was undertaken to improve the fermentation of sugars and lignocellulosic hydrolysates. These efforts culminated in construction of a strain capable of fermenting glucose-xylose mixture in presence of high concentration of acetic acid and another strain with a partially operational EMP pathway.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-05T17:08:43Z No. of bitstreams: 1 FLÁVIA CRISTINA DOS SANTOS LIMA - TESE (PPGEP) 2013.pdf: 7673702 bytes, checksum: df6fc75de6798e4e29b04c58f5bd63f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-05T17:08:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FLÁVIA CRISTINA DOS SANTOS LIMA - TESE (PPGEP) 2013.pdf: 7673702 bytes, checksum: df6fc75de6798e4e29b04c58f5bd63f6 (MD5) Previous issue date: 2013-06-14 / Com este trabalho objetivou-se estudar e definir as melhores condições para produção de xilitol utilizando o licor da pré-hidrólise ácida do bagaço do pedúnculo do caju. O bagaço do pedúnculo do caju obtido foi lavado, secado a 55 ºC, moído e peneirado (48 mesh); só então foi caracterizado e submetido a pré-hidrólise ácida utilizando-se H2SO4 a 3%, razão 1:6, por 1 hora. A caracterização da composição lignocelulósica revelou a presença de 18,31 ± 0,071% de celulose, hemicelulose 27,18 ± 0,01% e lignina 23,91 ± 0,02% e, após a pré-hidrólise ácida, 31,50 ± 0,02, 19,30 ± 0,09 e 32,21 ± 0,57% de celulose, hemicelulose e lignina, respectivamente. Após a realização da pré-hidrólise o licor foi submetido ao processo de remoção por lignina residual para eliminação dos compostos tóxicos ao metabolismo microbiano, de acordo com o planejamento experimental fatorial 23 com três repetições no ponto central; as melhores condições de remoção foram pH e tempo de contato em 4 e 20 min, respectivamente, e massa de lignina residual 0,65 g, obtendo-se uma remoção de 15% de xilose, 20% de glicose, 100% de hidroximetilfurfural e 100% de furfural. Um planejamento fatorial 24 com três repetições no ponto central foi utilizado para verificar a influência das concentrações de sulfato de amônio, cloreto de cálcio, farelo de arroz e do pH meio de fermentação sobre a concentração final de xilitol, produtividade volumétrica em xilitol, eficiência e o fator de conversão de xilose em xilitol. Os ensaios fermentativos foram realizados utilizando-se a levedura Candida guilliermondii CCT 3544, em frascos de erlenmeyer com 50 mL do meio, agitados a 200 rpm, 28 °C de 0 a 96 h. De acordo com os resultados a concentração de cloreto de cálcio e o pH influenciaram significativamente a bioconversão de xilose em xilitol. A análise geral dos resultados levou à conclusão de que 1 g/L de sulfato de amônio, 0,5 g/L de cloreto de cálcio, 5 g/L de farelo de arroz e o pH 4, representam a composição do meio mais adequada para a produção de xilitol no licor pré-hidrolisado do bagaço do pedúnculo de caju. Após a obtenção das melhores condições de cultivo e adsorção foi realizado um ensaio fermentativo em intervalos de tempo 0, 12, 24, 36 e 48 h em frascos de erlenmeyer com capacidade de 250 mL, ampliação de escala em 3 vezes, contendo 150 mL do meio in natura, concentrado e concentrado/tratado, com concentração inicial de células 107 células/mL. De acordo com os resultados, o licor tratado/concentrado representa o meio mais adequado para fermentação com maior concentração celular, 56,4 x 106 células/mL, em 36 h, e produção de xilitol de 3000,14 mg/L, resultando em uma produtividade de 0,063 g/L h com rendimento de bioconversão de 74,47% e eficiência de 81,21%, ao final de 48 h. / This work aimed to study and define the best conditions for xylitol production using liquor acid prehydrolysis of cashew bagasse. The cashew bagasse obtained was washed, dried at 55 ° C, milled and sieved (48 mesh); only then it was characterized and subjected to acid prehydrolysis using H2SO4 at 3%, 1:6 ratio, for 1 hour. The characterization of the lignocellulosic revealed the presence of 18.31 ± 0.071% of cellulose, hemicellulose 27.18 ± 0.01% and lignin 23.91 ± 0.02% and after acid prehydrolysis 31.50 ± 0.02, 19.30 ± 0.09 and 32.21 ± 0.57% cellulose, hemicellulose and lignin, respectively. Upon completion of the prehydrolysis, the liquor was subjected to the removal process by residual lignin for disposal of toxic compounds to microbial metabolism, according to the 23 experimental factorial planning with three replications at the central point, and the best conditions of removal, pH and contact time at 4 and 20 min, respectively and mass of 0.65 g residual lignin, obtaining a removal of 15% of xylose, 20% glucose, 100% hydroxymethylfurfural and 100% furfural. A 24 factorial planning with three replications at the central point was used to verify the influence of the concentrations of ammonium sulfate, calcium chloride, rice bran and pH the fermentation medium about the final concentration of xylitol, xylitol volumetric productivity, efficiency and the conversion factor of xylose to xylitol. The fermentation trials were carried out using the Candida guilliermondii CCT 3544 yeast in erlenmeyer flasks with 50mL of the medium, agitated at 200 rpm, 28 °C from 0 to 96 h. According to the results the concentration of calcium chloride and pH has significantly influenced the bioconversion of xylose to xylitol. The general analysis of the results led to the conclusion that 1 g/L of ammonium sulfate, 0.5 g L calcium chloride, 5 g/L of rice bran and pH 4 represent the most suitable composition of the medium for xylitol production in prehydrolyzed liquor of the cashew apple bagasse. After obtaining the best conditions of cultivation and adsorption was carried out a trial fermentation in time intervals 0, 12, 24, 36 and 48 h in erlenmeyer flasks with a capacity of 250 mL, scale application - 3 times, containing 150 mL of the medium in natura, concentrated and concentrate/treated with initial cell concentration of 107 cells/mL. According to the results the treated/concentrated liquor represents the most suitable way for fermentation, with a higher cell concentration, 56.4 x 106 cells/ mL in 36 h and xylitol production of 3000.14 mg/L, resulting in a productivity of 0.063 g/L h with a bioconversion yield of 74.47% and 81.21% efficiency at the end of 48 hours.

Submitted by Clebson Anjos (clebson.leandro54@gmail.com) on 2016-03-04T21:55:14Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1992438 bytes, checksum: 7619ce6c21cea2362c1d633c136de464 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-04T21:55:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1992438 bytes, checksum: 7619ce6c21cea2362c1d633c136de464 (MD5) Previous issue date: 2015-03-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Due to the amount of waste generated by industries and commitments to the environment, there has been a growing interest in the use of alternative energy sources for the generation of bio-products with added value, such as ethanol and xylitol. In this context, cashew peduncle has been considered a promising alternative to meet this demand in a more sustainable manner. Thus, the aim of this study was to assess the expansion of the experimental scale of biotechnological xylitol production using liquor from the acid treatment of cashew peduncle bagasse as substrate and Candida guilliermondii CCT 3544 yeast as fermentation agent. Cashew peduncle bagasse was washed, dried at 55°C, ground, sieved (48 mesh), characterized and submitted to acid hydrolysis. Then, a 23 + 3 factorial experimental design with central points was performed in order to verify the effect of variables temperature, bagasse / dilute acid ratio and acid concentration on the release of pentose and hexose from hydrolyzed liquors. After hydrolysis, the liquor was submitted to concentration process and the fermentation medium was prepared in 400 ml Erlenmeyer flasks in Bioreactor (1600 ml), stirred at 200 rpm, 28°C from 0 to 120 h using C. guilliermondii CCT 3544 yeast. The characterization of the lignocellulosic composition revealed the presence of 21.45 ± 0.31% cellulose, 10.96 ± 0.31% hemicellulose and 35.39 ± 0.97% lignin, respectively. It was found that the liquor from the acid treatment should operate under temperature conditions at level 1 (160 ° C) and acid concentration, bagasse / dilute acid ratio at level -1 (1%, 1: 6). The overall analysis of results led to the conclusion that C. guilliermondii CCT-3544 was able to grow in medium with hydrolyzate, and its maximum concentration of cell growth was 3.5 g L-1 in both cases. However, the fermented concentrate obtained maximum production at 48 h of fermentation, but the fermented hydrolyzate in bioreactor produced ethanol and xylitol, with maximum xylitol production at 6 h and maximum ethanol production at 48 h of fermentation. / Em virtude da quantidade de resíduos gerados pelas indústrias e dos compromissos assumidos com o meio ambiente, tem-se verificado um crescente interesse pela utilização de fontes alternativas de energia para geração de bioprodutos com valor agregado, como o etanol e xilitol. Neste contexto, o pedúnculo do caju tem sido considerado uma alternativa promissora para atender à demanda de forma mais sustentável. Em vista disso, o objetivo desta pesquisa foi estudar a ampliação de escala experimental da produção biotecnológica de xilitol utilizando o licor do tratamento ácido do bagaço do pedúnculo do caju como substrato e como agente de fermentação a levedura Candida guilliermondii CCT 3544. O bagaço do pedúnculo do caju obtido foi lavado, seco a 55 ºC, moído, peneirado (48 mesh), caracterizado e submetido à hidrólise ácida. Em seguida, realizou-se um planejamento experimental fatorial 23 + 3 pontos centrais com o intuito de verificar as influências das variáveis: temperatura, proporção bagaço/ácido diluído e concentração do ácido na liberação de pentoses e hexose dos licores hidrolisados. Após hidrólise o licor foi submetido ao processo de concentração e o meio de fermentação preparado em frascos de Erlenmeyer com 400 mL do meio com licor concentrado e em Biorreator (1600 mL), agitados a 200 rpm, 28 °C de 0 a 120 h, utilizando-se a levedura C. guilliermondii CCT 3544. A caracterização da composição lignocelulósica revelou a presença de 21,45 ± 0,31% de celulose, hemicelulose 10,96 ± 0,31% e lignina 35,39 ± 0,97%, respectivamente. Verificou-se que o licor do tratamento ácido deve operar sob condições de temperatura ao nível 1 (160 °C), concentração de ácido, proporção bagaço/ácido diluído ao nível -1 (1% e 1:6). O fermentado do hidrolisado concentrado obteve produção máxima com 48 h de fermentação, já o hidrolisado fermentado em biorreator produziu etanol e xilitol simultaneamente com máxima produção de xilitol com 6 h e etanol com 48 h de fermentação.

Resumo: A efetiva produção de etanol lignocelulósico depende de leveduras capazes de fermentar a fração hemicelulósica da biomassa lignocelulósica que é composta em sua maioria por xilose. Há uma grande dificuldade em encontrar esses microrganismos já que a capacidade de utilizar xilose como fonte de carbono não é apresentada pela maioria das leveduras. Neste trabalho leveduras isoladas de diferentes materiais da zona rural,foram testadas quanto à assimilação de xilose e glicose, e fermentação de xilose a 30°C, onde observou-se diferentes comportamentos entre diferentes linhagens da mesma espécie. As linhagens de leveduras isoladas foram identificadas pela técnica molecular PCR-RFLP empregando-se as regiôes ITS 5,8 S e D1/D2 do DNA ribossômico. Três leveduras identificadas como espécies de Cândida tropicalis foram avaliadas quanto a capacidade de produção de xilitol e etanol a partir de meio basal com xilose como única fonte de carbono e do licor negro da extração da celulose hidrolisado por enzimas do fungo Thermoascus aurantiacus. A produção de xilitol foi semelhante nos dois substratos, entretanto a produção de etanol foi maior quando o licor negro foi empregado, esses resultados mostraram que a quantidade e a natureza dos açúcares presentes nos meios foram um interferente maior no metabolismo da levedura que os compostos tóxicos presentes no licor negro / Abstract: The effective lignocellulosic ethanol production depends on yeasts that are able to ferment the hemicellulosic biomass fraction, which is mostly composed by xylose. There is a big difficulty in finding such microorganisms because most yeasts do not use xylose as a carbon source. In this work, yeasts isolated from different materials were tested for xylose and glucose assimilation and xylose fermentation at 30°C ,where it was observed different behaviors between strains of the same species. The strains isolated were identified by PCR-RFLP molecular technique employing the ITS 5,8 and D1/D2 regions of ribosomal DNA. Three yeasts were identified as Cândida tropicalis species and their ability to produce xylitol and ethanol from xylose and the black liquor from the cellulose extraction hydrolyzed by enzymes of the fungus Thermoascus aurantiacus was evaluated. The xylitol production was similar in both media, but the ethanol production was higher when the black liquor was used, these results shows that the quantity and nature of the sugars present in the media have a bigger interference in the metabolism of yeast to toxic compounds present in black liquor / Orientador: Roberto da Silva / Coorientador: Daniela Alonso Bocchini Martins / Banca: Eleni Gomes / Banca: Sandra Regina Ceccato Antonini / Mestre