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Tipo do documento: Dissertação
Título: Imobilização de frutosiltransferase microbiana em gel de alginato e sua caracterização para a produção de frutooligossacarídeos
Título(s) alternativo(s): Microbial fructosyltransferase immobilization in alginate gel and its characterization for the fructooligosaccharides production
Autor: GONÇALVES, Maria Carolina Pereira 
Primeiro orientador: KIECKBUSCH, Theo Guenter
Primeiro coorientador: PERNA, Rafael Firmani
Primeiro membro da banca: SILVA, Mariana Altenhofen da
Segundo membro da banca: SANCINETTI, Giselle Patrícia
Resumo: Frutooligossacarídeos (FOS) são moléculas de sacarose contendo unidades frutosil ligadas pela posição β (2→1). Esses prébióticos são edulcorantes com baixo poder calórico muito utilizados em formulações na indústria de alimentos e farmacêutica. A obtenção de FOS via rota enzimática, utilizando a sacarose como substrato e enzimas de origem microbiana denominadas frutosiltransferases (FTases) vem sendo estudada pelo IPT (São Paulo), que utiliza cepas do fungo Aspergillus oryzae para a obtenção do extrato micelial. Pesquisas em andamento no Laboratório de Bioprocessos da UNIFAL, em conjunto com o IPT, utilizam esses extratos para avaliar e otimizar a produção de FOS. A presente proposta visa complementar essas investigações, através da imobilização do extrato micelial previamente reticulado com glutaraldeído por meio de aprisionamento em esferas de alginato de cálcio ou de bário. Inicialmente foram avaliadas as condições de obtenção das esferas como formulação, tipo de alginato, nível de dispersão mecânica do micélio, grau de reticulação e seus reflexos sobre características do material obtido (diâmetro e aparência das esferas, resistência mecânica, estabilidade na estocagem). A otimização das condições de aprisionamento se baseou na atividade enzimática sob condições padrão de reação e foi complementada conduzindo a reação de transfrutosilação em batelada, sob diferentes temperaturas, pHs, concentrações de substrato e com o reuso das esferas. A condição de imobilização que proporcionou os mais altos rendimentos de FOS utilizou o alginato de baixa viscosidade (4,0% m/m) reticulado com cloreto de cálcio na concentração de 0,2 mol.L-1, e com as esferas de menor diâmetro. Essas condições ótimas geraram partículas mais esféricas, homogêneas, porosas e sem rachaduras na superfície, com maior resistência à compressão mecânica e maior estabilidade com relação ao tempo de estocagem a 4°C. A temperatura de 50 ºC, o pH de 5,5 e a concentração de substrato de 400 g.L-1 forneceram as máximas atividades de transfrutosilação (ATs) e seletividades. Os valores de AT encontrados com o biocatalisador reticulado com glutaraldeído, desintegrado e então imobilizado foram cerca de 70% maiores do que com a biomassa livre, não triturada. Os ensaios de estabilidade frente ao pH mostraram que a biomassa livre foi estável em uma faixa de pH entre 4,5 e 6,5, e o biocatalisador imobilizado na faixa de 5,5 a 7,5. Parâmetros termodinâmicos indicaram que a imobilização da biomassa proporcionou um aumento da termoestabilidade. A aplicação do biocatalisador em ensaios de estabilidade operacional confirmou que a biomassa imobilizada permaneceu estável após seis ciclos de utilização, de 1 hora cada, com uma atenuação de apenas 4% da atividade inicial, enquanto que a taxa de degradação da atividade do biocatalisador livre era de cerca de 10% por ciclo. Em ciclos de esgotamento total da sacarose no meio reacional (4 horas) a biomassa imobilizada reteve 92% de sua atividade inicial até o terceiro ciclo, enquanto que com a biomassa livre houve uma queda constante de 15% na AT por ciclo de uso. Com relação à cinética da reação enzimática, o modelo de Hill ajustou-se de maneira mais satisfatória aos dados do que o modelo de Michaelis-Menten (MM), havendo uma redução no valor de Km (MM) e de K0,5 (Hill) e um aumento na velocidade máxima de reação ao utilizar o biocatalisador imobilizado em relação à biomassa livre. O conjunto de todos esses ganhos expressivos evidencia a potencialidade da aplicação da FTase micelial de Aspergillus oryzae IPT-301 na produção de FOS após a reticulação do micélio com glutaraldeído e de seu envolvimento por alginato de cálcio.
Abstract: Fructooligosaccharides (FOS) are sucrose molecules containing fructosyl units linked by β (2→1) position. These prebiotics are low calorie sweeteners widely used in formulations in food and pharmaceutical industry. Obtaining FOS via enzymatic route with sucrose as substrate and enzymes of microbial origin called fructosyltransferases (FTases), has been studied by IPT (São Paulo), using strains of the fungus Aspergillus oryzae to obtain the mycelial extract. Researches in progress at the Bioprocess Laboratory (UNIFAL), along with IPT, use these extracts to evaluate and optimize the FOS production. The present proposal aims to complement these investigations by the immobilization of the mycelial extract previously crosslinked with glutaraldehyde by entrapment in calcium or barium alginate beads. Initially, beads production conditions, like formulations, level of mechanical dispersion of the mycelium, type of alginate degree of crosslinking and characteristics of the material (diameter and aspect of the beads, mechanical strength, stability at storage) were evaluated. The optimization of the entrapment conditions was based on enzymatic activity under standard reaction conditions and was complemented by conducting the batch transfructosylation reaction under different temperatures, pHs, substrate concentrations and reuse of the spheres. The immobilization condition that produces the highest FOS yields used the low viscosity alginate (4.0% w/w) crosslinked with 0.2 mol.L-1 calcium chloride and the smallest diameter beads. These optima conditions generated spherical beads, with homogeneous, porous and continuous surfaces, with larger resistance to mechanical compression and higher storage time stability at 4 °C. The temperature of 50 °C, pH of 5.5 and substrate concentration of 400 g.L-1 provided the maximum transfructosylation activities (ATs) and selectivity. The AT values ​​found with the glutaraldehyde crosslinked biocatalyst, disintegrated and then immobilized were about 70% larger than with the free, not dispersed biomass. pH stability tests showed that free biomass was stable in a pH range between 4.5 and 6.5, and the immobilized biocatalyst in the range of 5.5 to 7.5. The thermal stability analysis indicated that the immobilization of the biomass provided an increase in thermostability. Application of the biocatalyst in operational stability tests confirmed that immobilized biomass remained stable after six cycles of FOS production showing only 4% attenuation to initial activity, while the degradation rate of the free biocatalyst activity was about 10% per cycle. In cycles with total sucrose depletion (4 hours each), the immobilized biomass retained 92% of its initial activity until the third cycle, while using the free biomass resulted in a constant drop of about 15% in AT per cycle. Regarding the kinetics of the enzymatic reaction, the Hill model fitted more satisfactorily to the data than the Michaelis-Menten (MM) model, with a reduction in the Km (MM) and K0.5 (Hill) values and an increase in the maximum reaction rate with immobilized biocatalyst in relation to the free biomass. The bulk of these expressive gains evidences the potential of the application of Aspergillus oryzae IPT-301 mycelial FTase in FOS production after crosslinking the mycelium with glutaraldehyde and its involvement in calcium alginate beads.
Palavras-chave: Biopolímeros.
Suportes de catalisadores.
Oligossacarídeos.
Transferases.
Aspergillus oryzae.
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::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: GONÇALVES, Maria Carolina Pereira. Imobilização de frutosiltransferase microbiana em gel de alginato e sua caracterização para a produção de frutooligossacarídeos. 2019. 139 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2019.
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/1503
Data de defesa: 19-Fev-2019
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