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Type: Tese
Title: Biopesticide potential of terpenic esters enzymatically synthesized by lipases (CAL-B) immobilized on magnetic cashew apple bagasse lignin
Authors: Girão Neto, Carlos Alberto Chaves
Advisor: Rocha, Maria Valderez Ponte
Co-advisor: Rodrigues, Tigressa Helena Soares
Keywords in Brazilian Portuguese : Caju;Bagaço;Biotransformação;Butiratos;Butirato de citronelila;Cymbopogon Winterianus;Bioatividade;Lignina;Butirato de geranila
Issue Date: 2024
Citation: GIRÃO NETO, Carlos Alberto Chaves. Biopesticide potential of terpenic esters enzymatically synthesized by lipases (CAL-B) immobilized on magnetic cashew apple bagasse lignin. 2024. 117 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: A biotransformação enzimática de álcoois terpênicos presentes no óleo essencial de Cymbopogon winterianus (citronela) permite a produção seletiva de novos compostos com bioatividade melhorada. Trata-se de uma alternativa na produção de pesticidas mais sustentáveis, biodegradáveis, com maior espectro de ação e eficiência contra pragas agrícolas. No entanto, poucos estudos foram realizados com catalisadores enzimáticos, principalmente imobilizados em materiais obtidos de fontes naturais. Neste contexto, a lipase B de Candida antarctica foi imobilizada no suporte de lignina (extraída do bagaço de caju) conjugada com nanopartículas magnéticas para ser aplicada na síntese biotecnológica de ésteres terpênicos utilizando-se álcool comercial ou óleo essencial de C. winterianus. Posteriormente, avaliou-se o potencial bioativo dos compostos obtidos através de análises antimicrobianas e pesticidas. O processo de imobilização ocorreu predominantemente por adsorção por ativação interfacial, seguido de ligações covalentes, e a carga enzimática de 5 mgPROTEÍNA/gSUPORTE foi escolhida por gerar um biocatalisador (Lig-MNPs_CALB) com alta atividade catalítica (12,6 ± 0,7 U/g), e o processo de imobilização apresentou um bom rendimento (71,5 ± 1,2 %). Além disso, Lig-MNPs_CALB apresentou ótima estabilidade a 50 °C, mantendo 65 % de sua atividade após 96 h de exposição, e foi mais estável em heptano, retendo 49,3 ± 1,3 % de sua atividade após 48 h. O mesmo também apresentou boa estabilidade de armazenamento a 4 °C, com retenção de 73 % de sua atividade após 60 dias. Na síntese do éster butirato de citronelila por CAL-B, na forma livre ou imobilizada, e o álcool comercial como substrato, as condições ótimas de esterificação foram 50 °C, razão molar (álcool:ácido) 1:1, 10 mg de enzima livre ou biocatalisador/mL de solução, e 200 RPM. O rendimento de esterificação foi maior no processo catalisado pela enzima imobilizada, obtendo-se 96,4 ± 2,1 % em comparação ao catalisado por CAL-B livre (55 ± 3,9 %) após 24 h de reação. A atividade catalítica do Lig-MNPs_CALB foi mantida após 10 ciclos reacionais, com rendimento de síntese de butirato de citronelila superior a 95 %, o que torna este processo promissor para a indústria de biopesticidas. O óleo essencial de C. winterianus investigado tem como componentes majoritários o citronelal (40,32 % (v/v)), geraniol (26,77 % (v/v)) e citronelol (8,64 % (v/v)). Nas reações de esterificação utilizando-se Lig-MNPs_CALB, alcançou-se rendimentos de 96,1 ± 0,6 % para o butirato de citronelila e 96,9 ± 0,3 % para o butirato de geranila com 24 h de reação, indicando que não houve inibição enzimática devido à presença de outros componentes. O biocatalisador também se manteve estável em meio à composição complexa do óleo essencial durante cinco ciclos de reação consecutivos. Além disso, a atividade antibacteriana do éster butirato de citronelila foi superior a do seu respectivo álcool para ambas cepas de Escherichia coli e Staphylococcus aureus, tendo o éster em questão apresentado também melhora em sua atividade antifúngica contra Fusarium graminearum, diminuindo em 66,8 % o seu valor de concentração inibitória média (IC50). Ademais, o éster butirato de geranila reduziu em 30,1 % a sua atividade antifúngica (F. graminearum) em comparação ao geraniol, e exibiu atividade antibacteriana contra Pseudomonas syringae pv. tomato, o que agrega essa valiosa propriedade às suas aplicações industriais. Por fim, o óleo essencial de C. winterianus esterificado, em sua maior concentração avaliada (43372 µg/mL), diminuiu em 87,5 % a incidência e, consequentemente, a severidade da doença causada pela infecção por Botrytis cinerea B05.10 em folhas de feijão francês (Phaseolus vulgaris). Logo, uma abordagem mais econômica e com menor impacto ambiental foi desenvolvida de modo a se obter bioprodutos que têm potencial para serem aplicados como biopesticidas para uma agricultura mais sustentável.
Abstract: The enzymatic biotransformation of terpenic alcohols present in Cymbopogon winterianus (citronella) essential oil enables the selective production of new compounds with improved bioactivity. This is an alternative in the production of more sustainable and biodegradable pesticides, with a greater spectrum of action and efficiency against agricultural pests. However, only a few studies have been performed using enzymatic catalysts, primarily immobilized on materials derived from natural sources. In this context, lipase B from Candida antarctica was immobilized on lignin support (extracted from cashew apple bagasse) conjugated with magnetic nanoparticles to be applied in the biotechnological synthesis of terpenic esters using either commercial alcohol or C. winterianus essential oil. Subsequently, the bioactive potential of the synthesized compounds was evaluated through antimicrobial and pesticide assays. The immobilization process took place predominantly by adsorption by interfacial activation followed by covalent bonds, and the enzymatic load of 5 mgPROTEIN/gSUPPORT was chosen, as it generated a biocatalyst (Lig-MNPs_CALB) with high catalytic activity (12.6 ± 0.7 U/g) and good immobilization yield (71.5 ± 1.2 %). Furthermore, Lig-MNPs_CALB showed great stability at 50 °C, maintaining 65 % of its activity after 96 h of exposure, and it was more stable in heptane, retaining 49.3 ± 1.3 % of its activity after 48 h. The biocatalyst obtained also showed good storage stability at 4 °C, with retention of 73 % of its activity after 60 days. For the synthesis of citronellyl butyrate ester using free and immobilized CAL-B, and synthetic alcohol as a substrate, the optimal esterification conditions were 50 °C, 1:1 molar ratio (alcohol:acid), 10 mg of either free enzyme or biocatalyst/mL of solution, and 200 RPM. The esterification yield was higher when catalyzed by the immobilized enzyme, achieving 96.4 ± 2.1 % compared to the yield obtained with free CAL-B (55 ± 3.9 %) after 24 h of reaction. The catalytic activity of Lig-MNPs_CALB was maintained after 10 reactional cycles, with a citronellyl butyrate synthesis yield exceeding 95 %, which makes this process promising to biopesticides industry. The essential oil extracted from the Cymbopogon winterianus plant was characterized and also evaluated as an alternative and low-cost source for the synthesis of terpenic esters. The major compounds present in the oil investigated were citronellal (40.32 % (v/v)), geraniol (26.77 % (v/v)), and citronellol (8.64 % (v/v)). Esterification reactions using Lig-MNPs_CALB resulted in yields of 96.1 ± 0.6 % for citronellyl butyrate and 96.9 ± 0.3 % for geranyl butyrate within 24 h of reaction, indicating that there was no enzyme inhibition due to the presence of other components. The biocatalyst also remained stable among the complex composition of the essential oil during five consecutive reaction cycles. Additionally, the antibacterial activity of citronellyl butyrate ester was superior to that of its respective alcohol for both strains of Escherichia coli and Staphylococcus aureus, with the respective ester also showing an improvement in its antifungal activity against Fusarium graminearum, decreasing its half maximal inhibitory concentration (IC50) value by 66.8 %. Furthermore, geranyl butyrate ester reduced its antifungal activity (F. graminearum) by 30.1 % compared to geraniol, and also exhibited antibacterial activity against Pseudomonas syringae pv. tomato, which adds this valuable property to its industrial applications. Lastly, the esterified C. winterianus essential oil, at the highest concentration evaluated (43372 µg/mL), decreased in 87.5 % the disease incidence and thus the disease severity of Botrytis cinerea B05.10 infection in French bean plants (Phaseolus vulgaris). Therefore, a more cost-effective approach with reduced environmental impact was developed to obtain new bioproducts with improved properties which hold the potential to be applied as biopesticides for sustainable agriculture.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78314
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2091-5350
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1706953474706456
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6238-7552
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0639546287060338
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8044-3121
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1726823683011143
Access Rights: Acesso Embargado
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