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Type: Dissertação
Title: Explorando técnicas e materiais para a preparação de catalisadores enzimáticos via nanopartículas magnéticas e coimobilização de lipases
Authors: Moreira, Katerine da Silva
Advisor: Santos, José Cleiton Sousa dos
Keywords in Brazilian Portuguese : Catalisadores enzimáticos;Imobilização da lipase;Coimobilização da lipase;Quitosana;Nanopartículas magnéticas
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Issue Date: 2021
Citation: MOREIRA, Katerine da Silva. Explorando técnicas e materiais para a preparação de catalisadores enzimáticos via nanopartículas magnéticas e coimobilização de lipases. 2021. 136f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este trabalho teve como objetivo explorar técnicas e materiais utilizados no processo de imobilização para a preparação de catalisadores enzimáticos. O trabalho experimental foi realizado em duas etapas. Na primeira etapa, a lipase de Rhizomucor miehei (RML) foi imobilizada por adsorção à magnetita (Fe3O4), nanopartículas magnéticas (NPM), funcionalizada com 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES), denominada Fe3O4@APTES-RML ou RML-NPM (rendimento de imobilização: 94,7 ± 1,0%; atividade do biocatalisador: 341,3 ± 1,2 Up-NPB/g) e por ligação covalente ativada com glutaraldeído (GLU) (rendimento de imobilização: 91,9 ± 0,2%; atividade do biocatalisador: 199,6 ± 3,5 Up-NPB/g). A RML-NPM foi caracterizada por Difração de Raios-X em Pó (XRPD), Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), comprovando a incorporação da magnetita e a imobilização da RML na matriz APTES. O biocatalisador imobilizado RML-NPM apresentou a 60 °C meia-vida 16-19 vezes maior do que a lipase solúvel na faixa de pH 5-10. A RML e RML-NPM mostraram maior atividade em pH 7; a enzima imobilizada foi mais ativa do que a enzima livre na faixa de pH (5-10) analisada. RML-NPM foi aplicado à produção de éster etílico a partir de ácidos graxos livres do óleo de babaçu residual, em condições otimizadas (30 ºC, 4 h, 1: 1 (AGLs /álcool) determinadas pelo método de Taguchi, alcançando uma conversão de 78,9 ± 0,3% utilizando 9% de RML-NPM. Na segunda etapa, a coimobilização simultânea por ligação covalente da lipase A de Candida antarctica (CALA) e lipase B de Candida antarctica (CALB) em quitosana (QUI) ativada com glutaraldeído (GLU), rotulada de CALA-CALB-QUI, foi otimizada utilizando o método de Taguchi. Em condições otimizadas (pH 9, 5mM, 6: 1 (carga de proteína/ g de suporte) e 1 hora), foi possível chegar a 80,00 ± 0,01% para o rendimento de imobilização (RI) e 46,01 ± 0,35 U/g para a atividade do derivado (AtD); neste caso, a carga de proteína e a força iônica foram os únicos parâmetros estatisticamente significativos e, portanto, os que mais influenciaram o processo de imobilização. Em pH 7, CALA-CALB-QUI apresentou uma meia-vida 2-6 vezes maior do que a mistura de CALA e CALB para uma faixa de temperatura de 50-80 °C. Na faixa de pH entre 5 e 9, CALA-CALB apresentou maior atividade em pH 7, enquanto CALA-CALB-QUI, exceto em pH 7, foi mais ativa que a mistura de lipases solúveis, especialmente em pH 9. QUI, QUI-GLU e CALA-CALB-QUI foram caracterizados por XRPD, FTIR, Microscopia Eletrônico de Varredura (MEV), Termogravimetria (TGA) e Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), comprovando a imobilização de CALA e CALB em quitosana. O derivado CALA-CALB-QUI foi avaliado na resolução cinética de halohidrinas acetatos rac-2-bromo-1- (2-clorofenil) acetato de etila (2a) e rac-2-cloro-1- (2,4-diclorofenil) etil acetato (2b), para produzir as correspondentes halohidrinas 3a-b, que são intermediários na síntese dos fármacos clorprenalina (antiarrítmico) e luliconazol (antifúngico), respectivamente. (S) -bromohidrina (3a) foi obtida com 79% de excesso enantiomérico (ee), enquanto (S) -clorohidrina (3b) foi produzida com 98% ee, conversão de 46% e E> 200. Adicionalmente, o docking molecular foi realizado para elucidar a reação de interação de hidrólise entre β-halohidrina acetatos e as lipases CALA e CALB.
Abstract: This communication aimed to explore the techniques and materials used in the immobilization process for enzymatic catalysts development. The experiments were conducted in two stages: in the first stage, Lipase from Rhizomucor miehei (RML) was immobilized by adsorption on magnetite (Fe3O4), magnetic nanoparticles (MNPs), coated with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), called Fe3O4@APTES-RML or RML-NPM (immobilization yield: 94.7 ± 1.0%; biocatalyst activity: 341.3 ± 1.2 Up-NPB/g), and by covalent bonding activated with glutaraldehyde (GLU) (immobilization yield: 91.9 ± 0.2%; biocatalyst activity: 199 .6 ± 3.5 Up-NPB/g). RML-NPM was characterized by X-ray Powder Diffraction (XRPD), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and Transmission Electron Microscopy (TEM), proving the incorporation of magnetite and the immobilization of RML on the APTES matrix. The results demonstrate that the immobilized biocatalyst exhibited at 60 °C a half-life of 16-19 times superior to the soluble lipase in the pH range 5-10. RML and RML-NPM showed greater activity at pH 7; the immobilized enzyme was more active than the free enzyme in the pH range (5-10) analyzed. Moreover, RML-NPM was applied to the production of ethyl ester from free fatty acids from residual babassu oil, under optimized conditions (30 ºC, 4 h, 1:1 (AGLs/alcohol) determined by the Taguchi method, achieving a conversion of 78.9 ± 0.3% using 9% RML-NPM. Whereas, in the second step, Lipase A from Candida antarctica (CALA) and lipase B from Candida antarctica (CALB) were simultaneous co-immobilization onto chitosan (CHI) and activated with glutaraldehyde, labeled CALA-CALB-CHI, by covalent bonding; this process was optimized using the Taguchi method. Under optimized conditions (pH 9, 5mM, 6: 1 (protein load/g of support) and 1 hour), it was possible to reach 80.00 ± 0.01% for the immobilization yield (IY) and 46.01 ± 0.35 U/g for derivative activity (AtD); in this case, protein charge and ionic strength were the only parameters that have statistical significance and, therefore, those that most influenced the immobilization process. At pH 7, CALA-CALB-CHI showed a half-life of 2-6 times greater than the mixture of CALA and CALB over a temperature range of 50-80 °C. In the pH range between 5 and 9, CALA-CALB showed greater activity at pH 7, while CALA-CALB-CHI, except at pH 7, was more active than the mixture of soluble lipases, especially at pH 9. CHI, CHI-GLU, and CALA-CALB-CHI were characterized by XRPD, FTIR, Scanning Electron Microscopy (SEM), Thermogravimetry (TGA), and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), proving the immobilization of CALA and CALB on chitosan. Besides, the CALA-CALB-CHI derivative was evaluated in the kinetic resolution of halohydrins rac-2-bromo-1-(2-chlorophenyl) ethyl acetate (2a) and rac-2-chloro-1-(2,4-dichlorophenyl) acetates ethyl acetate (2b), to produce the corresponding halohydrins 3a-b, which are intermediates in the synthesis of the drugs clorprenaline (antiarrhythmic) and luliconazole (antifungal), respectively. (S)-bromohydrin (3a) was obtained with 79% enantiomeric excess (ee), while (S)-chlorohydrin (3b) was produced with 98% ee, 46% conversion, and E>200. Additionally, molecular docking was performed to elucidate the hydrolysis interaction reaction between β-halohydrin acetates and the lipases CALA and CALB.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78925
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3729012472838738
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1511-5180
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3096685020723658
Access Rights: Acesso Aberto
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