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Tipo do documento: Dissertação
Título: Imobilização da biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301, caracterização e aplicação na produção de frutooligossacarídeos
Título(s) alternativo(s): Immobilization of the catalytic biomass of Aspergillus oryzae IPT-301, characterization and application in the production of fructooligosaccharides
Autor: GARCIA, Rogério Lopes 
Primeiro orientador: PERNA, Rafael Firmani
Primeiro coorientador: TARDIOLI, Paulo Waldir
Primeiro membro da banca: MAIORANO, Alfredo Eduardo
Segundo membro da banca: HIRATA, Daniela Battaglia
Resumo: Os frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde humana. São disponibilizados comercialmente mediante produção sintética, por reação de transfrutosilação, utilizando enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9). Dentre os micro-organismos produtores desta enzima, o Aspergillus oryzae IPT-301 se destaca como fonte potencialmente produtora, sintetizando FTase micelial (aderida a biomassa celular) com atividades hidrolítica (AH) e de transfrutosilação (AT). A razão entre as atividades (AT/AH) é um importante parâmetro que indica a predominância de AT sobre AH. A aplicação deste micro-organismo na produção de FOS pode ser aprimorada por meio da imobilização da biomassa por processo de reticulação visando aumentar a estabilidade da biomassa e possibilitar o seu reuso. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho centrou-se na imobilização da biomassa de Aspergillus oryzae IPT-301 utilizando glutaraldeído como agente de reticulação e caracterização quanto às suas propriedades catalíticas, assim como a determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos e avaliação de sua estabilidade operacional na produção de FOS. A biomassa catalítica foi produzida por fermentação submersa aeróbia, em agitador orbital do tipo Shaker e meio de cultura sintético. Os ensaios de imobilização da biomassa produzida foram realizados por planejamento experimental do tipo DCCR 2² e o efeito de diferentes concentrações de glutaraldeído (GLU) e pH no meio de imobilização foram avaliados. As melhores respostas foram obtidas em pH 7,9 e concentração de GLU 2,1 % (v/v), com AT e AH iguais a 821 ± 28 U.g-1 e 126 ± 10 U.g-1, respectivamente. Quando comparado o ganho de atividade por unidade de massa micelial com o processo de imobilização, foi observado um aumento de 14 % na AT, redução de 40 % na AH e aumento em 86 % da razão (AT/AH). Estas mudanças nas atividades observadas após a imobilização são benéficas por favorecerem maiores rendimentos deste biocatalisador na produção de FOS. Assim, as biomassas livre e imobilizada foram caracterizadas. A biomassa livre apresentou os melhores resultados de atividade entre as temperaturas de 45 ºC e 55 ºC, enquanto as maiores AT e razão (AT/AH) para a biomassa imobilizada foram observadas entre 50 ºC e 55 ºC. Quanto à influência do pH, ambos os biocatalisadores apresentaram maiores AT e razão (AT/AH) em pH 5,5. Desta forma, a temperatura de 50 ºC e o pH 5,5 foram fixados para se realizar a comparação dos biocatalisadores nos ensaios de estabilidade operacional. Os ensaios de estabilidade frente ao pH mostraram que ambos os biocatalisadores foram estáveis na faixa de pH entre 4,5 e 7,5. A análise de estabilidade térmica mostrou por meio dos parâmetros termodinâmicos avaliados que a imobilização da biomassa proporcionou um aumento da termoestabilidade, com a biomassa imobilizada passando a ter um tempo de meia vida a 50 ºC de 5728,5 min, valor este 2,8 vezes maior que o observado para o tempo de meia vida da biomassa livre a 50 ºC. A avaliação da cinética enzimática indicou que os modelos de Hill e de Michaelis-Menten se ajustaram satisfatoriamente ao comportamento da FTase de ambos os biocatalisadores. Foi observada a redução de K0,5, de 97,8 para 85,9 g.L-1 e uma redução de Km, de 121,5 para 98,5 g.L-1 após a imobilização da biomassa catalítica, indicando um aumento da afinidade entre enzima e substrato com a imobilização. A aplicação dos biocatalisadores em ensaios de estabilidade operacional mostrou que a biomassa imobilizada foi estável após 12 ciclos de produção de FOS (atividade relativa de 88,9 ± 2,2 % da atividade inicial), enquanto a atividade da biomassa livre caiu após 12 ciclos de produção para aproximadamente 50 % da atividade inicial, demonstrando assim o ganho de aplicabilidade da biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301 na produção de FOS com o processo de imobilização realizado.
Abstract: The fructooligosaccharides (FOS) are sugars of low calorie that have several benefits to human health. They are commercially available through synthetic production, by transfructosylation reaction, using microbial enzymes such as fructosyltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9). Among the microorganisms that produce this enzyme, Aspergillus oryzae IPT-301 stand out as potentially producer source, synthesizing mycelial FTase (adhered to cellular biomass) with hydrolytic activity (AH) and transfructosylation activity (AT). The ratio between activities (AT/AH) is an important parameter that indicates the predominance of AT over AH. The application of this microorganism to the production of FOS can be improved by the immobilization of the biomass by cross-linking process, aiming to increase the stability of the biomass and to enable its reuse. In this context, the objective of the present work was focused on the immobilization of Aspergillus oryzae IPT-301 biomass using glutaraldehyde (GLU) as cross-linking agent and the characterization of the catalytic properties of the immobilized enzyme, as well as the determination of kinetic and thermodynamic parameters of the enzyme and avaliation of its operational stability. The catalytic biomass was produced by aerobic submerged fermentation on shaker type orbital in synthetic culture medium. The immobilization tests were performed by central rotatable composite design 2² and the effect of different concentrations glutaraldehyde concentrations and pH in the immobilization were evaluated. The best responses were obtained at pH 7.9 and concentration of GLU 2.1% (v/v), with AT and AH equal to 821 ± 28 U.g-1 and 126 ± 10 U.g-1, respectively. When the gain of activity per unit of mycelial mass with the process of immobilization was compared, there was a 14% increase in AT, a 40% reduction in AH and an 86% increase of the ratio (AT/AH). These changes in activities observed after immobilization are favoring higher yields of this biocatalyst in FOS production. Thus the free and immobilized biomass were characterized. The free biomass showed the best results of activity between the temperatures of 45 ºC and 55 ºC, while the higher AT and ratio (AT/AH) for the immobilized biomass were observed between 50 ºC and 55 ºC. As for pH influence, both biocatalysts had higher AT and ratio (AT/AH) at pH 5.5. Thus, the temperature of 50 ºC and pH 5.5 were set for the comparison of the biocatalysts in the operational stability tests. The pH stability tests showed that both biocatalysts were stable in the pH range between 4.5 and 7.5. Thermal stability analysis showed through the thermodynamic parameters evaluated that the immobilization of biomass provided an increase of thermostability, with the immobilized biomass having a half-life time at 50 ºC of 5728,5 min, wich is 2.8 times higher than that observed for the half-life time of free biomass at 50 ºC. The evaluation of the enzymatic kinetics indicated that the Hill and Michaelis-Menten models fit satisfactorily to the behavior of the FTase of both biocatalysts. The reduction of K0.5 was observed, from 97.8 to 85.9 g.L-1, and a reduction of Km, from 121.5 to 98,5 g.L-1 after the immobilization of the catalytic biomass, indicating an increase in the affinity between enzyme and substrate with the immobilization . The application of biocatalysts in stability tests showed that the immobilized biomass was stable after up to 12 cycles of FOS production (relative activity of 88.9 ± 2.2 % of the initial activity), while free biomass activity fell after 12 production cycles to approximately 50% of initial activity, demonstrating the gain of applicability of the catalytic biomass of Aspergillus oryzae IPT-301 in the production of FOS with the immobilization process carried out.
Palavras-chave: Análise enzimática.
Aspergillus oryzae.
Reticulação.
Glutaral.
Transfrutosilação.
Área(s) do CNPq: ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal de Alfenas
Sigla da instituição: UNIFAL-MG
Departamento: Instituto de Ciência e Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: GARCIA, Rogério Lopes. Imobilização da biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301, caracterização e aplicação na produção de frutooligossacarídeos. 2018. 86 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG, 2018.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/1261
Data de defesa: 28-Mai-2018
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