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Type: Dissertação
Title: Otimização das condições de síntese e aplicação de agregados enzimáticos reticulados de β-galactosidase de Aspergillus oryzae com propriedades magnéticas
Authors: Ribeiro, Laiza Brito
Advisor: Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Co-advisor: França, Ítalo Waldimiro Lima de
Keywords in Brazilian Portuguese : Imobilização enzimática;CLEA;prebiótico;lactose;lactulose
Issue Date: 2023
Citation: RIBEIRO, L. B. Otimização das condições de síntese e aplicação de agregados enzimáticos reticulados de β-galactosidase de Aspergillus oryzae com propriedades magnéticas. 2023. 92f. Dissertação (Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: A utilização da β-galactosidase em escala industrial vem ganhando notoriedade devido aos diferentes processos de valor agregado em que pode ser aplicada, como na produção de galactooligossacarídeos (GOS) e hidrólise da lactose para obtenção de glicose e galactose. Contudo, a utilização direta dessa enzima livre dificulta as aplicações em larga escala e o processamento. Para contornar essa problemática, a metodologia de imobilização enzimática pode ser utilizada para melhorar as propriedades e aplicabilidade da enzima. Busca-se, entretanto, o uso de protocolos de imobilização eficientes, simples e baratos para que o processo seja viável e vantajoso. Entre essas técnicas, destacam-se os agregados enzimáticos reticulados, que são agregados de enzima que não precisam de um suporte físico, reduzindo o custo e melhorando produtividade. Portanto, este trabalho visa otimizar as condições de imobilização da enzima β-galactosidase de Aspergillus oryzae pela metodologia de agregados enzimáticos reticulados magnéticos (do inglês magnetic cross-linked enzyme aggregates - mCLEA), visando a produção de um biocatalisador heterogêneo ativo e estável para a hidrólise de lactose e produção de lactulose. Foi realizado um delineamento experimental para avaliar a influência do pH (4 - 9), da concentração do reticulante (dextrana: 14 - 52 g • L-1) e do tempo de reticulação (5 – 19 h), cuja variável resposta foi definida como a capacidade dos biocatalisadores em hidrolisar a lactose. A condição otimizada foi obtida em pH 7,4, concentração de dextrana de 32,0 g ∙ L-1 e tempo de reticulação de 15 h, obtendo-se 36,84 % de bioconversão de lactose em glicose e galactose após 7 h de reação. O mCLEA de β-galactosidase de Aspergillus oryzae produzido com dextrana (mCLEA-DEX-βGAL) otimizado também foi caracterizado quanto a estabilidade térmica (a 50 °C e 60 °C) e estabilidade operacional de hidrólise da lactose. O biocatalisador apresentou um comportamento diferente a 50 °C (t 1/2 = de 7,6 h) e 60 °C (t 1/2 = de 22 min). A 60 °C, o comportamento da mCLEA-DEX é semelhante ao da enzima livre nesta condição. O biocatalisador demonstrou um bom resultado de reúso, mantendo 59,72 % da atividade relativa, após 10 ciclos. Quanto à lactulose, foi possível produzí-la, utilizando a lactose e frutose simultaneamente como substrato, com uma produção máxima em 10 min para a enzima livre (2,11 g∙L-1) e em 5 min para o mCLEA-DEX (1,72 g∙ L-1). Esses resultados indicam que os biocatalisadores heterogêneos são interessantes para aplicações industriais, devido a melhor estabilidade térmica e operacional assim como podem ser considerados uma alternativa promissora ecologicamente sustentável e em larga escala para síntese de lactulose.
Abstract: The utilization of β-galactosidase on an industrial scale has been gaining prominence due to its application in various value-added processes, such as the production of galactooligosaccharides (GOS) and lactose hydrolysis for glucose and galactose production. However, the direct use of this free enzyme presents challenges for large-scale applications and processing. To overcome this issue, enzymatic immobilization methodologies can be employed to enhance the properties and applicability of the enzyme. In order to assure viability and advantage in the process, efficient, straightforward, and cost-effective immobilization techniques are looked after. Among these techniques, magnetic cross-linked enzyme aggregates (mCLEA) stand out as enzyme aggregates that do not require physical support, thereby reducing costs and improving productivity. This study aims to optimize the immobilization conditions of β-galactosidase from Aspergillus oryzae using the magnetic cross-linked enzyme aggregates (mCLEA) methodology, with the goal of producing an active and stable heterogeneous biocatalyst for lactose hydrolysis and lactulose production. An experimental design was conducted to assess the influence of pH (4 - 9), cross-linker concentration (dextran: 14 - 52 g • L-1), and cross-linking time (5 – 19 h), with the response variable defined as the biocatalyst's capacity to hydrolyze lactose. The optimized conditions were achieved at pH 7.38, dextran concentration of 32.05 g ∙ L-1, and cross-linking time of 14.88 h, resulting in 36.84 % lactose bioconversion to glucose and galactose after 7 h of reaction. The optimized dextran-based magnetic cross-linked enzyme aggregates (mCLEA-DEX-βGAL) of β-galactosidase from Aspergillus oryzae were also characterized for thermal stability (50°C and 60°C) and operational stability in lactose hydrolysis. The biocatalyst exhibited distinct behavior at 50°C (t 1/2 =7.6 h) and 60°C (t 1/2 = 22 min). At 60°C, the behavior of mCLEA-DEX resembled that of the free enzyme under this condition. The biocatalyst demonstrated favorable reusability, maintaining 59.72% of relative activity after 10 cycles. In terms of lactulose production, it was feasible to synthesize lactulose using lactose and fructose as substrates simultaneously, with the free enzyme achieving maximum production in 10 min (2.11 g∙L-1) and mCLEA-DEX in 5 min (1.72 g∙L-1). These findings indicate that heterogeneous biocatalysts hold promise for industrial applications, attributed to their enhanced thermal and operational stability. They can also be considered a promising, ecologically sustainable, and scalable alternative for lactulose synthesis.
Description in Brazilian Portuguese: Ribeiro, L. B. Otimização das condições de síntese e aplicação de agregados enzimáticos reticulados de β-galactosidase de Aspergillus oryzae com propriedades magnéticas. 2023. 92f. Dissertação (Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74533
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2838399927322524
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2577657690021566
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3008840064214547
Access Rights: Acesso Aberto
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