Síntese de novos materiais magnéticos e porosos à base de sílica e magnetita natural para aplicação como suportes para a enzima lipase

Abstract

Existem diversas vantagens na utilização de enzimas como biocatalisadores, como grande eficiência catalítica e atuação em condições brandas de reação. Nesse contexto, a enzima lipase, que age sob as ligações de ésteres carboxílicos, encontra aplicações na produção de biodiesel, indústria de detergentes, degradação de polímeros entre outros. Entretanto, seu uso se torna limitado devido ao seu alto custo e dificuldade de reutilização. Para superar essa problemática, a imobilização de enzimas em suportes sólidos tem sido um tópico de grande valor na pesquisa científica. Neste trabalho, foram propostos novos suportes magnéticos para a imobilização da enzima lipase de Thermomyces lanuginosus (TLL). Materiais magnéticos e porosos foram obtidos pelo método sol-gel com diferentes proporções entre sílica e magnetita (MNX1 e MNX2) e foram, posteriormente, modificados com nanopartículas de ouro estabilizadas por quitosana (MNX1AuNp e MNX2AuNp). Os materiais foram caracterizados através de difratogramas de raios X, medidas de magnetização, isotermas de adsorção e dessorção de N2 e análise termogravimétrica, enquanto a dispersão de AuNp estabilizada por quitosana foi caracterizada através de espectroscopia no UV-Vis. Os resultados indicam que os materiais são mesoporos, magnéticos (devido a presença de magnetita) e que a imobilização acontece dentro dos poros. A atividade antimicrobiana foi avaliada através do método de cultivo em caldo, o qual demonstrou que os materiais não possuem atividade antimicrobiana. A atividade enzimática foi avaliada para os quatro materiais através do método colorimétrico envolvendo a hidrólise do p-nitrofenilpalmitato sendo que o material MNX2AuNp apresentou a maior atividade. Otimizou-se os parâmetros de imobilização através de um planejamento fatorial 22 obtendo-se tempo de imobilização de 15 h e pH igual a 5. Nessas condições, imobilizou-se cerca de 97% da enzima oferecida, obtendo-se 8 U g-1 de atividade da enzima suportada no material MNX2AuNp. Tanto o material MNX2 quanto o material MNX2AuNp podem ser reutilizados mantendo cerca de 30 e 45% da atividade inicial após 12 ciclos, além disso, o material MNX2AuNp pode ser estocado por cerca de quatro meses sem perda de atividade da enzima imobilizada. Assim, os materiais magnéticos com estrutura de poros planejada desenvolvidos neste trabalho possuem potencial aplicação como suportes para lipase, sendo reutilizáveis e de fácil recuperação do meio reacional.

There are many advantages in the enzyme’s use as biocatalyst, such as large catalytic efficiency and action in reactions under mild conditions. In this sense, the lipase, which acts on carboxylic ester bonds, find applications in biodiesel production, detergents industry, polymers’ degradation among others. However, both high cost and difficult recovery limit the enzyme use. However, once these obstacles are overcome, the enzyme’s immobilization on solid supports turns out to be a high-value topic of scientific research. In this work, new magnetic supports for the immobilization of the enzyme lipase from Thermomyces lanuginosus (TLL) were proposed. Porous and magnetic materials were obtained by the sol-gel method of synthesis with two different silica/magnetite ratios (MNX1 and MNX2) and, subsequently, they were modified with gold nanoparticles stabilized by chitosan (MNX1AuNp and MNX2AuNp). The materials were characterized by X-ray diffraction, N2 adsorption-desorption isotherms, thermogravimetric analysis and magnetic properties measurements. The AuNp dispersion was characterized by UV-Vis spectroscopy. The results indicate that the materials are mesoporous, magnetic (due to the presence of magnetite) and that the enzyme is immobilized inside the pores. Antimicrobial activity was evaluated by the broth culture method, which showed that the materials do not have antimicrobial activity. The enzymatic activity was evaluated for the four materials through colorimetric method involving the p-nitrophenillpalmitate hydrolysis. The support MNX2AuNp presented the best activity value, so, the immobilization parameters were optimized for this material through a two-level factorial design which led to a the immobilization time of 15 h and pH of 5. In these conditions, about 97% of immobilization efficiency is obtained, which corresponds to 8 U g-1 of activity presented by the supported enzymes on the MNX2AuNp material. Both MNX2 and MNX2AuNp can be reutilized. After 12 cycles, the supports preserved 30 and 45% of the initial activity, respectively. Moreover, the material MNX2AuNp can be stocked for four months without activity loss. Therefore, the magnetic materials with a planned porous structure developed in this work have potential application as easy-recoverable and recyclable lipases supports.