Desenvolvimento de uma matriz de alginato e gelatina entrecruzada com genipina para imobilização de β-galactosidase

Abstract

O uso de enzimas imobilizadas tem crescido em função de suas inúmeras vantagens quando comparada ao uso de enzimas livres. No entanto, é fundamental avaliar a escolha do suporte, aliando disponibilidade, biocompatibilidade, atoxicidade e boas qualidades mecânicas, a fim de melhorar as características da enzima a ser imobilizada. Assim, o objetivo deste trabalho foi preparar um suporte composto de alginato de sódio e gelatina aproveitando as diferentes características dos materiais para imobilização de β-galactosidase de Aspergillus oryzae. Para isso, foram avaliadas diferentes concentrações de alginato de sódio, gelatina, genipina e carga enzimática com o intuito de verificar o efeito de cada componente nos parâmetros de imobilização. A elaboração das esferas de alginato-gelatina foi realizada através da gelificação ionotrópica, seguido de ativação utilizando genipina, um composto natural extraído do jenipapo (Genipa americana L), e imobilização covalente da enzima no suporte. Caracterizações calorimétricas (TGA e DSC) e estruturais (SAXS) foram realizadas com o biocatalisador. Além disso, verificou-se o desempenho da enzima imobilizada em relação à sua estabilidade térmica, operacional e de armazenamento. Os resultados mostraram que a enzima foi imobilizada com sucesso apresentando altos rendimentos de imobilização. As modificações micro-estruturais das esferas determinadas por SAXS, demonstram que a adição de genipina e enzima no sistema produziu uma redução significativa no tamanho e na densidade Ca(II)-alginato. Através das análises TGA e DSC, pode-se constatar que a ativação com genipina, seguida da imobilização da enzima, não tiveram influência na resistência à temperatura do suporte. A maior estabilidade térmica do biocatalisador foi observada em presença do substrato lactose. O processo de imobilização proporcionou alta estabilidade ao armazenamento, permitindo manter aproximadamente 80 % da atividade relativa após 175 dias sob refrigeração a 4 °C. Para o processo de hidrólise da lactose, o biocatalisador mostrou-se estável por 11 bateladas de reuso, resultando em 69.3 % de conversão de lactose, a 40 °C. Para esta mesma temperatura, em um reator de leito fixo com fluxo de 0,25 mL min-1, a conversão de lactose foi de 76.5 % em 20 h de operação contínua. Dessa forma, os resultados obtidos demonstram que o suporte utilizando alginato de sódio e gelatina tem potencial para aplicações em processos de imobilização enzimática, pois, alia as boas propriedades de cada componente, além de ser uma matriz segura para aplicações em alimentos.

The use of immobilized enzymes has grown due to its numerous advantages when compared to the use of free enzymes. However, it is essential to evaluate the choice of support, combining availability, biocompatibility, atoxicity, and good mechanical qualities, in order to improve the characteristics of the enzyme to be immobilized. Thus, this work's objective was to prepare a support composed of sodium alginate and gelatin taking advantage of the different characteristics of the materials for immobilization of β-galactosidase from Aspergillus oryzae. For this, different concentrations of sodium alginate, gelatin, genipin, and enzyme load were evaluated in order to verify the effect of each component on the immobilization parameters. The elaboration of the alginate-gelatin beads was performed through ionotropic gelation, followed by activation using genipin, a natural compound extracted from genipap (Genipa americana L), and covalent immobilization of the enzyme in the support. Calorimetric (TGA and DSC) and structural (SAXS) characterizations were performed with the biocatalyst. In addition, the performance of the immobilized enzyme in relation to its thermal, operational and storage stability was verified. The results showed that the enzyme was successfully immobilized, obtaining high immobilization yields. The structural modifications of the beads determined by SAXS demonstrates that the addition of genipin and enzyme in the system produced a significant reduction in size and density of Ca(II)-alginate. Through the TGA and DSC analyzes, it can be seen that activation with genipin, followed by immobilization of the enzyme, did not influence the temperature resistance of the support. The greater thermal stability of the biocatalyst was observed in the presence of its substrate, lactose. The immobilization process provided high stability to the storage, allowing to maintaining 80 % of the relative activity after 175 days under refrigeration at 4 °C. The biocatalyst proved to be stable for 11 batches of reuse for the lactose hydrolysis process, resulting in 69.3 % lactose conversion at 40 °C. For this same temperature, in a fixed bed reactor with a flow of 0.25 mL min-1, the lactose conversion was 76.5 % in 20 h of continuous operation. Thus, the results obtained in this work indicate that the support using sodium alginate and gelatin has potential for applications in enzymatic immobilization processes, as it combines the good properties of each component, in addition to being a safe matrix for food applications.