Desenvolvimento de biocatalisadores enzimáticos utilizando suportes porosos de óxidos mistos de sílica/titânia contendo quitosana

Abstract

A biocatálise é uma estratégia ambientalmente sustentável na busca por metodologias alternativas e provenientes de recursos renováveis no âmbito dos processos industriais. Usualmente, as enzimas são aplicadas livres em solução, o que dificulta sua recuperação e reutilização. As técnicas de imobilização de enzimas podem superar essas desvantagens, e melhorar a estabilidade do biocatalisador em condições operacionais e de armazenamento, sendo de grande importância o desenvolvimento de suportes biocompatíveis e com propriedades mecânicas adequadas. No presente trabalho, foram desenvolvidos materiais à base de óxidos mistos de sílica/titânia obtidos pelo método sol-gel, com tamanho de poro adequado para serem aplicados como suportes para a imobilização da enzima β-D-galactosidase. Esses materiais foram recobertos com soluções contendo 5, 10 e 15% de quitosana em massa, e modificados com os agentes reticuladores, glutaraldeído ou genipina, proporcionando a ligação covalente da enzima. Para efeito de comparação, um material à base de sílica/titânia, não recoberto com quitosana e sem o uso de agentes de reticulação também foi usado como suporte para β-D-galactosidase. Os materiais preparados foram devidamente caracterizados morfológica e texturalmente. Por análise termogravimétrica, pode ser evidenciada a incorporação dos componentes orgânicos nas matrizes e a imobilização da enzima. As curvas de distribuição de diâmetro de poros das matrizes sintetizadas apresentaram máximos em torno de 30 nm, diâmetro adequado para manter a atividade enzimática. Os biocatalisadores foram aplicados em testes de atividade enzimática para avaliação dos parâmetros de imobilização, estabilidade térmica e pH ótimo de operação. Além disso, foi investigada sua estabilidade operacional através da reação de hidrólise da lactose em sistemas em batelada, retendo aproximadamente 90% da atividade catalítica inicial após 15 ciclos, e em reator de fluxo contínuo, mantendo a atividade relativa próxima a 100% após 14 dias de operação. Os biocatalisadores preparados permitiram a combinação das características positivas dos componentes utilizados, demonstrando ser uma excelente alternativa para aplicação na indústria alimentícia.

Biocatalysis is an environmentally sustainable strategy in the search for alternative methodologies and derived from renewable resources within the scope of industrial processes. Usually, enzymes are applied free in solution, which makes their recovery and reuse difficult. Enzyme immobilization techniques can overcome these drawbacks and improve the stability of the biocatalyst under operational and storage conditions, being of great importance the development of biocompatible supports with adequate mechanical properties. The present work describes the development of materials based on mixed oxides of silica/titania, obtained by the sol-gel method, with adequate pore size to be applied as supports for β-D-galactosidase immobilization. These materials were coated with solutions containing 5, 10 and 15 wt% chitosan, and modified with the crosslinking agents, glutaraldehyde or genipin, to provide the covalent binding of the enzyme, evaluating its influence on the activity and stability of the biocatalysts. For comparison purposes, a silica/titania based material, not coated with chitosan and without the use of crosslinking agents, was also used as a support for β-D-galactosidase. The prepared materials were properly characterized morphologically and texturally. Thermogravimetric analysis showed the incorporation of organic components in the matrices and the immobilization of the enzyme. The pore diameter distribution curves of the synthesized matrices showed maximums around 30 nm, an adequate diameter to immobilize enzymes. The biocatalysts were applied in enzymatic hydrolytic activity tests to evaluate the immobilization parameters, thermal stability and optimal pH. Furthermore, its operational stability was investigated through the lactose hydrolysis reaction in batch system, retaining approximately 90% of the initial catalytic activity after 15 cycles, and continuous flow reactor systems, maintaining the relative activity close to 100% after 14 days of operation. The prepared biocatalysts allowed the combination of the positive characteristics of the components used, proving to be an excellent alternative for application in the food industry.