Hidrólise da lactose e síntese de galactooligossacarídeos utilizando B-galactosidase imobilizada em suportes à base de quitosana

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2014.A ß-galactosidase (E.C 3.2.1.23) é uma das enzimas mais empregadas na indústria de alimentos sendo principalmente utilizada na hidrólise da lactose para obtenção de produtos com baixo teor de lactose e na síntese de galactooligossacarídeos (GOS). A imobilização desta e outras enzimas é uma forma eficaz de permitir o reuso do biocatalisador e aumentar sua estabilidade térmica. Esta imobilização pode ser feita em suportes à base de quitosana, pois, além de serem seguros, possuem grupos funcionais que permitem a imobilização direta ou a modificação com outros grupos funcionais de interesse. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar a hidrólise da lactose e a síntese de GOS utilizando a ß-galactosidase imobilizada em suportes à base de quitosana. Primeiramente, macro e nanopartículas de quitosana foram obtidas, caracterizadas e utilizadas para a imobilização da ß-galactosidase de Kluyveromyces lactis. Avaliou-se a carga de enzima imobilizada em cada um dos suportes, bem como a estabilidade térmica e operacional do biocatalisador imobilizado. Subsequentemente, as macropartículas de quitosana foram utilizadas em um reator de leito fixo a fim de avaliar a hidrólise da lactose e a síntese de GOS em sistema contínuo. A imobilização da ß-galactosidase de Aspergillus oryzae em macropartículas de quitosana foi realizada utilizando a genipina como agente de entrecruzamento para substituir o glutaraldeído, dada sua toxicidade. Tanto o suporte como a enzima imobilizada obtidos foram caracterizados e aplicados na hidrólise da lactose e na síntese de GOS. Por fim, investigou-se a estabilidade térmica da ß-galactosidase de Aspergillus oryzae imobilizada em macropartículas de quitosana em presença de lactose e GOS, a fim de simular as condições operacionais de obtenção deste prebiótico. Apesar das macro e nanopartículas de quitosana terem apresentado algumas diferenças entre si (área superficial, capacidade de carga, estabilidade térmica e retenção de atividade da enzima), ambos biocatalisadores puderam ser reutilizados por 50 bateladas de hidrólise. A hidrólise da lactose permaneceu estável ao longo de mais de 15 dias de operação, resultando em 90 % de conversão de lactose, a 37 ºC. Nesta mesma temperatura, a produtividade máxima de GOS foi de 484,5 g L-1 h-1. A estabilidade térmica da enzima foi melhorada em presença de lactose, glicose e galactose, o que sugere que sistemas de operação contínua podem contribuir na estabilização térmica da enzima. A imobilização da enzima de A. oryzae em macropartículas de quitosana entrecruzadas com genipina também foi bem sucedida, rendendo biocatalisadoresoperacionalmente estáveis, com hidrólise da lactose efetiva e estável durante 25 bateladas de reuso da enzima imobilizada. O parâmetro que mais teve influência na síntese de GOS foi a concentração de lactose, sendo que a concentração máxima de GOS obtida foi de 146 g L-1, utilizando uma solução de lactose 500 g L-1. A melhoria na estabilidade térmica da ß-galactosidase de A. oryzae imobilizada em macropartículas de quitosana foi bastante acentuada em presença de GOS, o que sugere que os processos de síntese deste composto podem ser otimizados em relação à temperatura, já que altas temperaturas facilitam o processo de dissolução da lactose e evitam a contaminação microbiana.<br>Abstract : The ß-galactosidase (E.C 3.2.1.23) is one of the most used enzymes in the food industry, being mainly applied in lactose hydrolysis and galactooligosaccharides (GOS) synthesis. The immobilization of ß-galactosidase and others enzymes is an effective way to allow the reuse and to improve the thermal stability of the biocatalyst. Immobilization can be carried out on chitosan based supports, since they are safe and presents functional groups to direct enzyme immobilization or for modification with others functional groups. Then, the objective of this work was to study the lactose hydrolysis and GOS synthesis by using the enzyme ß-galactosidase immobilized on chitosan based supports. Firstly, chitosan macro and nanoparticles were obtained, characterized and used for immobilization of the ß-galactosidase from Kluyveromyces lactis. The enzyme load, the thermal stability and the operational stability were evaluated for each support. Subsequently, chitosan macroparticles were applied in a packed-bed reactor in order to evaluate the lactose hydrolysis and GOS synthesis in a continuous system. The immobilization of Aspergillus oryzae ß-galactosidase on chitosan macroparticles was carried out using genipin as crosslinking agent in order to replace glutaraldehyde, given its toxicity. The support and the immobilized enzyme obtained were characterized and applied in the lactose hydrolysis and in the GOS synthesis. Lastly, the thermal stability of A. oryzae ß-galactosidase immobilized on chitosan macroparticles was investigated in the presence of lactose and GOS, in order to simulate operational conditions for obtaining this prebiotic compound. Although chitosan macro and nanoparticles having shown some differences (surface area, load capacity, thermal stability and activity retention), both biocatalysts were reused for 50 batches of hydrolysis. The lactose hydrolysis remained stable during more than 15 days of continuous operation, yielding 90 % of lactose conversion, at 37 ºC. In the same temperature, maximum GOS productivity was 484.5 g L-1 h-1. The enzyme thermal stability was improved in the presence of lactose, glucose and galactose, this suggests that systems of continuous operation could contribute for the thermal stability of the enzyme. The immobilization of A. oryzae ß-galactosidase immobilized on chitosan macroparticles cross-linked with genipin was also satisfactory, with stable and effective lactose hydrolysis during 25 batches of reuse. The parameter that most influenced GOS synthesis was the initial lactose concentration, being 146 g L-1 the maximum GOS concentration achieved when 500 g L-1 lactose buffered solution was used. Theimprovement of A. oryzae ß-galactosidase thermal stability was substantial in the presence of GOS, suggesting that the synthesis of this compound can be optimized related to the temperature, once higher temperatures facilitates the process of lactose dissolution and avoid microbial contamination