Produção em cultivo submerso e no estado sólido e caracterização da transglutaminase (EC 2.3.2.13) no isolado amazônico Bacillus circulans

Abstract

A Transglutaminase (TGase; proteína-glutamina γ-glutamil-transferase; EC 2.3.2.13) é uma enzima que catalisa reações de acil-transferência introduzindo ligações cruzadas entre cadeias protéicas. Em função de suas características, as TGases microbianas têm ampla e crescente aplicação na indústria alimentícia e em outras áreas. Portanto, o objetivo desse trabalho foi aumentar o conhecimento existente sobre a produção e as aplicações dessas enzimas. A composição do meio de cultura para a produção da enzima em cultivo submerso (CSm) pelo Bacillus circulans BL32, um isolado Amazônico, foi otimizada através de uma estratégia em três etapas. A otimização do meio resultou numa atividade de TGase que é 60 % maior que a máxima obtida utilizando um meio de cultura previamente citado na literatura para a produção dessa enzima, além da redução dos custos dos constituintes do mesmo. Metodologias de planejamento experimental foram utilizadas para otimizar a temperatura de incubação e o pH do meio de cultura. As melhores condições de cultivo para a produção da TGase pelo B. circulans BL32 para a produção da enzima em CSm foram 30 °C e pH 8.5, sendo que a máxima produção foi obtida no final da fase estacionária de multiplicação. Os efeitos da agitação e aeração sobre a produção de TGase e esporulação do B. circulans BL32 em sistema de CSm também foram estudados. Os resultados demonstraram que as condições ótimas de processo para a formação de biomassa e esporulação são diferentes. Portanto, foi adotada uma estratégia de controle da taxa de aeração em dois estágios, com formação de biomassa, no primeiro estágio, nas condições ótimas de crescimento seguido por um segundo estágio sob as condições de esporulação. Também estudou-se a produção de TGase pelo B. circulans BL32 em cultivo no estado sólido (CES). Vários resíduos agroindustriais foram usados como substrato para crescimento do microrganismo e produção da enzima. As melhores condições de cultivo foram 0,6 L/min de ar, 33 °C e 10 log 10 UFC/g de substrato para a concentração celular do inóculo, em resíduo fibroso de soja como substrato. A determinação das condições de extração para a efetiva recuperação da TGase produzida em CES foi realizada através do emprego de ferramentas de planejamento experimental. A melhor condição de extração da enzima foi quando utilizou-se água a 7 ºC como solvente, por 5 minutos, 250 rpm e uma relação de sólidos/líquidos de 1:6. Caseína, proteína isolada de soja e proteína hidrolisada de carne foram tratadas com essa TGase microbiana. A redução do número de grupos aminos livres após o tratamento com a enzima, principalmente, na caseína, demonstrou a formação de ligações cruzadas catalisadas por essa TGase. As propriedades emulsificantes dessas proteínas foram melhoradas após o tratamento com a TGase do B. circulans BL32. Além disso, a fim de investigar o mecanismo de inativação térmica, incubou-se a enzima por diferentes períodos de tempo em temperaturas entre 30 e 70 °C. As cinéticas de termoinativação desta TGase seguiram o modelo de Lumry-Eyring e a enzima mostrou-se estável até 50 °C, sendo que após 12 h nessa temperatura a mesma ainda mantém 50 % da sua atividade enzimática. Os resultados sugerem que esta TGase microbiana apresenta um grande potencial de uso em aplicações alimentícias e não alimentícias.

Transglutaminase (TGase; protein-glutamine γ-glutamyltransferase; EC 2.3.2.13) is an enzyme capable of catalyzing acyl transfer reactions by introducing covalent cross-links between proteins. Microbial TGases have found widespread and growing applications in the food and non-food industry. In this work, an effort has been made in order to increase available knowledge about microbial TGases. Medium composition for TGase production on submerged cultivations by Bacillus circulans BL32, a recently isolated strain from the Amazon basin, was optimized using a stepwise strategy. The optimization of the medium resulted not only in a 60 % higher TGase activity than the obtained in a media previously cited in the literature but also in a reduction of constituents costs. Statistical experimental methods also were used to optimize the temperature and pH parameters. The best culture conditions for TGase production by B. circulans BL32 were 30 °C, pH 8.5 and the highest production was obtained in late-stationary culture phase. And besides, the effects of agitation and aeration on TGase production and cell sporulation on submerged cultivations were studied. The results demonstrated that the optimal process conditions are different for biomass and spore production. It was adopted a two-stage aeration rate control strategy with biomass production under the growth conditions in the first stage followed by the second stage under the conditions for sporulation. The present work also dealt with the TGase production in solid state cultivations. Several agro-industrial residues were used as substrates for microbial growth and enzyme production. The best culture conditions were determined as being 0.6 L air min-1, 33 °C and 10 log 10 CFU g-1 of dried substrate to the inoculum cell concentration, on industrial fibrous soy residue as substrate. The optimization of downstream processing parameters for the effective enzyme recovery of the cultivated solids was carried out. The optimal conditions for the extraction were: water as solvent at 7 ºC; 5 min of extraction time; agitation speed of 250 rpm; and 1:6 solid:liquid ratio. Casein, soy protein isolated, and hydrolysed animal protein were treated with this microbial TGase. The decrease in the amount of free amino groups after TGase treatment, mainly in the casein, demonstrated the cross-linking catalyzed by this enzyme. The emulsifying properties of these proteins were improved after treatment with B. circulans BL32 TGase. Furthermore, in order to investigate the mechanism of thermal inactivation, the enzyme was incubated at temperatures ranging from 30 to 70 °C. The thermoinactivation kinetics of this microbial TGase followed a Lumry-Eyring model. The enzyme presented good stability until 50 °C. About 50 % of the activity still remained after heating for 12 h in this temperature. Results presented in this work suggest that this microbial TGase exhibit some interesting properties for food and non-food industrial applications.