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Type: Dissertação
Title: Bioprocesso de produção de L-asparaginase e desenvolvimento de biocatalisador enzimático para evitar formação de acrilamida em alimentos
Authors: Freitas, Lucas Almeida de
Advisor: Lourenzoni, Marcos Roberto
Co-advisor: Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Keywords in Brazilian Portuguese : Acrilamida;L-asparaginase;Fermentação;Imobilização
Keywords in English : Acrylamide;L-asparaginase;Fermentation;Immobilization
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS
Issue Date: 2024
Citation: FREITAS, Lucas Almeida de. Bioprocesso de produção de L-asparaginase e desenvolvimento de biocatalisador enzimático para evitar formação de acrilamida em alimentos. 2024. 122 f. Dissertação (Mestrado em Biotecnologia de Recursos Naturais) - Universidade Federal do ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: O aquecimento de alguns alimentos vegetais na indústria alimentícia induz a produção de acrilamida mediante a reação de Maillard, que ocorre entre açucares redutores e o aminoácido L-asparagina (Asn). A acrilamida é um composto neurotóxico e genotóxico e provável carcinógeno humano. Os efeitos nocivos da acrilamida na saúde humana são suficientes para suscitar a recomendação de sua mitigação pela Organização Mundial de Saúde, em produtos como as batatas fritas, que são ricos em açúcares disponíveis e Asn. O tratamento desses alimentos com L-asparaginase (L-ASNase), antes do aquecimento, pode reduzir a concentração de Asn, precursor da acrilamida. O objetivo desse trabalho foca a produção L-ASNase em processo fermentativo em altas concentrações no caldo fermentado, e no desenvolvimento de um biocatalisador. O biocatalisador implica na imobilização de L-ASNase em uma sílica mesoporosa, SBA-15. Os genes da L-ASNase II, de Escherichia coli (ansB, codificando EcAII) e de Bacillus subtilis (ansZ, codificando BsAII), foram clonados em vetores para expressão constitutiva periplasmática, sendo inseridos em células de E. coli e os produtos de expressão foram obtidos do caldo fermentado por precipitação. Obteve-se alto rendimento de enzimas recombinantes nos extratos de caldo fermentado em tubos em shaker, atingindo 14810 U∙L -1 de atividade de L-ASNase, com resultados inferiores para a expressão em frascos. O extrato de EcAII foi utilizado para os experimentos de imobilização em SBA-15. Diferentes condições de imobilização e recobrimento foram avaliadas. A adsorção de EcAII em SBA-15 foi ineficaz, sem atividade recuperada, comparado a 8% da ligação covalente em SBA-15 ativado. O rendimento global aumentou pela adição de aminoácidos na imobilização, atingindo 39% e 97% com a utilização de L-glutamina (Gln) (SBA-E(Gln)) e Asn (SBA-E(Asn)), respectivamente. De modo geral, SBA- E(Asn) e seu derivado recoberto com polietilenoimina, SBA-E-PEI, mostraram melhor desempenho que a enzima livre em temperaturas mais altas, com aumento na estabilidade térmica, da temperatura ótima de atuação e melhora no perfil de desnaturação. SBA-E(Asn) e SBA-E-PEI mantiveram acima de 50% de sua atividade inicial após 10 ciclos de reuso na estabilidade operacional a 55 °C, mostrando ser biocatalisadores adequados para a aplicação industrial. A aplicação das condições de imobilização para BsAII e novos experimentos para melhorar a estabilidade térmica devem ser realizados em trabalhos futuros, bem como a realização de aplicação em batatas para mitigar formação de acrilamida.
Abstract: The heating of some plant-based foods in industry induces the production of acrylamide through the Maillard reaction, that occurs between reducing sugars and the amino acid L-asparagine (Asn). The acrylamide is a neurotoxic and genotoxic compound, and probable human carcinogen. Acrylamide’s harmful effects on human health are sufficient to evoke the recommendation of its mitigation by the World Health Organization, in products like French fries, rich and free sugars and Asn. Treating these foods with L-asparaginase (L-ASNase), before heating, can reduce Asn concentration, the precursor of acrylamide. This work aims to produce L-ASNase in high concentration in the fermentation broth through fermentative process, and to develop a biocatalyst. The biocatalyst implies in L-ASNase immobilization on a mesoporous silica, SBA-15. The L-ASNase II genes, from Escherichia coli (ansB, encoding EcAII) and from Bacillus subtilis (ansZ, encoding BsAII), were cloned into vectors for periplasmatic constitutive expression, being inserted into E. coli cells. The expression products were obtained from the fermented broth through precipitation. It was obtained high yield of recombinant enzymes on the extracts from fermented broth of agitated tubes, reaching 14810 U∙L -1 of L-ASNase activity. Inferior results were obtained on agitated flasks. The EcAII extract was used on immobilization experiments on SBA-15. Different immobilization and coating conditions were evaluated. EcAII adsorption on SBA-15 was ineffective, with no recovered activity, compared to 8% from covalent bonding on activated SBA-15. The addition of amino acids in the immobilization increased the global yield, reaching 39% and 97% utilizing L-glutamine (Gln) (SBA- E(Gln)) and Asn (SBA-E(Asn)), respectively. In general, SBA-E(Asn) and its derivative coated with polyethyleneimine, SBA-E-PEI, showed better performance than the free enzyme in higher temperatures, increasing thermal stability and optimal activity temperature and improving denaturation profiles. SBA-E(Asn) and SBA-E-PEI kept above 50% of its initial activity after 10 cycles of reuse on operational stability at 55 °C, proving to be adequate biocatalysts to industrial application. Applying the immobilization condition to BsAII and new experiments to improve the thermal stability should be made in future works, as well as applying the biocatalysts on potatoes to mitigate acrylamide formation.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/77767
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6804-6107
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/5819544368830053
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2989-6392
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1350673719062370
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0012-8971
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2577657690021566
Access Rights: Acesso Aberto
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