Comparação entre agitação mecânica e ultrassônica na Síntese de ésteres de aromas catalisada por lipase.

Abstract

Ésteres de cadeia curta são compostos de aroma encontrados naturalmente em diversas frutas, obtidos por extração através de processos físicos. Contudo, esse método é muito escasso e caro para ser aplicado comercialmente. A legislação atual define como “aromas naturais” aqueles obtidos através de processos físicos ou rotas biotecnológicas. Lipases são enzimas que, sob apropriadas condições de trabalho, tem mostrado serem bons catalisadores nas reações de esterificação. Assim, neste trabalho, estudou-se o efeito do método de agitação sobre os parâmetros da reação de esterificação para síntese de acetato de butila (aroma de maçã), assim como sobre a estabilidade da enzima em ácido acético e na sua reciclagem, por reutilizações múltiplas. Um delineamento composto central e a metodologia de superfície de resposta foram utilizados para analisar os efeitos dos parâmetros de reação (temperatura, razão molar de substratro, quantidade de enzima e água adicionada) e suas respostas. As condições ótimas para o método de agitação mecânica foram: temperatura 40 ºC; razão molar do substrato 3:1 butanol:ácido acetico; quantidade de enzima 7,5 %; água adicionada 0,25 % da massa de substrato. Sob essas condições, mais de 90 % de conversão foi obtida em 2,5 h. As condições ótimas usando o ultrassom foram: temperatura 46 ºC; razão molar do substrato 3,6:1 butanol:ácido acetico; quantidade de enzima 7 %; água adicionada 0,25 % da massa de substrato. Sob essas condições, 94 % de conversão foi obtido em 2,5 h. A concentração ótima de ácido acético foi determinada como sendo 2,0 M, em comparação com 0,3 M sem ultrassom. A produtividade da enzima também foi significativamente melhorada quando compara-se ultrassom e a agitação mecânica (cerca de 7,5 vezes por ciclo). O biocatalisador pôde ser reutilizado diretamente durante 14 ciclos de reação, mantendo cerca de 70 % de sua atividade original (enquanto que a atividade foi reduzida no terceiro ciclo usando a agitação mecânica). Assim, em comparação com a tecnologia mecânica tradicional a agitação ultrassônica, além de melhorar a produtividade do processo, também aumentou a capacidade de reutilização da enzima e a sua estabilidade em ácido acético, sendo uma ferramenta poderosa para melhorar o desempenho do biocatalisador na presente reação.

Short chain esters are flavor compounds found naturally in various fruits, these can be extracted by physical processes. However this method is very scarce and expensive to be commercially applied. Nowadays, legislation defines as "natural flavors" those obtained by physical processes, microbiological or biotechnological routes. Lipases are enzymes that, under appropriate conditions, have shown to be a good catalyst in esterification reactions. It was studied the effect of the method of agitation on the optimal reaction parameters, as well as on the stability of the enzyme on acetic acid and the enzyme reusability for multiple reuses. A central composite design and the response surface methodology were used to analyse the effects of the reaction parameters (temperature, substrate molar ratio, enzyme content and added water) and their response. The optimum conditions for butyl acetate synthesis using the mechanical agitation method were: temperature 40 °C; substrate molar ratio 3:1 butanol:acetic acid; enzyme content 7.5 % by mass fraction of substrate wt.; added water 0.25 % by mass fraction of substrate wt.. Under these conditions, over 90 % of conversion was obtained in 2.5 h. The optimal reaction conditions for ultrasound-assisted butyl acetate synthesis were: temperature 46 °C; substrate molar ratio 3.6:1 butanol:acetic acid; enzyme content of 7 % by mass fraction of substrate wt.; added water 0.25 % by mass fraction of substrate wt., slightly different to those found using mechanical agitation. Under these conditions over 94 % of conversion was obtained in 2.5 h. The optimal acid concentration for the reaction was determined to be 2.0 M, compared to 0.3 M without ultrasounds. Enzyme productivity was also significantly improved when comparing ultrasound and standard stirring systems (around 7.5-fold by batch). The biocatalyst could be directly reused for 14 reaction cycles keeping around 70 % of its original activity (while activity was reduced to zero percent in the third cycle using standard stirring systems). Thus, compared to the traditional mechanical agitation, ultrasound technology besides improving the process productivity also enhanced the enzyme reusability, and stability in acetic acid being. Ultrasound technology has shown to be a powerful tool to improve biocatalyst performance in this reaction.