Tailoring chitosan-genipin complex for β-galactosidase immobilization : porosity modification, structure characterization, and bioprocessing applications

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Flores, Elí Emanuel Esparza
• Orientador(a): Hertz, Plinho Francisco
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Quitosana; Genipina; Imobilização enzimática; β-galactosidase; Galacto-oligossacarídeo
• Palavras-chave em Inglês: Chitosan; Genipin; Enzymatic immobilization; Galactooligosaccharides
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/263976

A imobilização de enzimas é uma técnica capaz de aumentar sua estabilidade e capacidade de reuso. O uso do complexo quitosana-genipina (CH-GE) como material de suporte para imobilização enzimática torna-se bastante atrativo, pois o entrecruzamento aumenta a estabilidade mecânica do polímero e permite a formação de uma rede polimérica complexa que possui alta afinidade por proteínas. Neste sentido, o presente trabalho buscou modificar a porosidade da estrutura de esferas de quitosana, entrecruzar com genipina e aplicar as esferas para imobilizar a β-galactosidase (E) de Aspergillus oryzae e assim, poder aplicar o biocatalisador resultante na hidrólise de lactose e na produção de galactooligossacarídeos (GOS). Para isso, foi aplicado o Na2CO3 como agente porogênico para induzir a formação de poros na matriz polimérica de esferas de quitosana, depois, foram entrecruzadas com genipina e usadas para a imobilização da enzima, gerando dois biocatalisadores, um não modificado, CH-GE-E, e outro modificado, PCH-GE-E (adicionado de Na2CO3). Os biocatalisadores foram caracterizados por métodos convencionais e não convencionais, como espalhamento de raios-X a baixo ângulo, adsorção de corantes, microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de varredura, força de compressão, adsorção/dessorção de N2 e análise termogravimétrica. Os resultados constataram a modificação da porosidade do suporte, apresentando poros maiores e mais interconectados, o que também diminuiu sua resistência à deformação. A microestrutura também foi modificada, aumentando a fractalidade, especialmente a maiores escalas (~100 nm) e diminuindo-a a menores escalas (~1-10 nm). Além disso, os biocatalisadores foram aplicados em reatores de leito fixo e o PCH-GE-E demonstrou uma melhor estabilidade operacional na produção de GOS durante 30 dias. A seguir, o processo de imobilização da enzima em suporte de quitosana e genipina foi estudado mais detalhadamente. A β-galactosidase de A. oryzae foi imobilizada no suporte PCH-GE usando quatro diferentes pH (4,5, 6,0, 7,5 e 9,0), obtendo-se assim quatro biocatalisadores: B4, B6, B7 e B9. Os biocatalisadores foram caracterizados quanto às suas estabilidades térmica, ao pH e ao armazenamento. Ainda, foi estudada a estabilidade operacional para a hidrólise de lactose em reatores contínuos e batelada. Foi encontrado que os quatro biocatalisadores apresentaram estabilidade térmica superior à enzima livre a 55 °C. Os biocatalisadores preparados em condições alcalinas tiveram melhor desempenho no meio ácido e os biocatalisadores preparados em condições ácidas mostraram maior estabilidade no meio alcalino. Além disso, mantiveram pelo menos 95% da sua atividade inicial, após 20 semanas armazenados a 4 °C. Por último, quando aplicados durante 50 ciclos para a hidrólise de lactose, todos mantiveram pelo menos 71% da sua atividade inicial, destacando o B6, que manteve quase o 100%. Por outro lado, no processo contínuo, após 20 dias, todos os biocatalisadores demonstraram alta estabilidade e produtividade, destacando o B6 que inclusive aumentou sua produtividade de 41,3 a 48,1 g L-1 h-1, mantendo 78.1% da sua atividade inicial. Assim, pode se concluir que os biocatalisadores obtidos melhoraram a estabilidade da enzima e o complexo quitosana-genipina possui um grande potencial para aplicação não apenas como suporte para imobilização enzimática, mas também para aplicação em outras áreas devido à suas propriedades plásticas e dinâmicas, além de ser uma alternativa sustentável e ambientalmente amigável.