Enzymatic conversion of sucrose into isomaltulose.

A isomaltulose é um dissacarídeo redutor, isômero da sacarose, que possui um sabor adocicado suave e propriedades físicas e sensoriais muito similares, que tem sido considerado um substituto promissor da sacarose na indústria de alimentos, devido a algumas características como baixo potencial cariogênico e baixo índice glicêmico, promoção do crescimento de bifidobactérias benéficas da microbiota intestinal, e por apresentar maior estabilidade em relação à sacarose em alimentos e bebidas acidificados, além de poder ser convertido para isomalte, um açúcar álcool dietético e não cariogênico aplicado na indústria de alimentos e farmacêutica. Os objetivos deste trabalho foram otimizar um meio de cultivo, de menor custo, para a produção da enzima glicosiltransferase pela linhagem Erwinia sp. D12 e estudar a produção de isomaltulose a partir de sacarose utilizando-se células livres e células imobilizadas em alginato de cálcio. Na otimização do meio de cultivo, em frascos sob agitação, a máxima atividade obtida foi de 12,4 UA de glicosiltransferase/mL de meio de cultivo após 8 horas de fermentação a 30ºC, em meio composto de 150 g/L de melaço de cana-de-açúcar, 20 g/L de água de maceração de milho- Milhocina®, 15 g/L de extrato de levedura Prodex Lac SDÒ, e pH ajustado a 7,5. No estudo da produção de glicosiltransferase, em fermentador de 6,6 litros, utilizando-se o meio de cultivo otimizado foi obtida máxima atividade de 22,5 UA de glicosiltransferase/mL de meio de cultivo, após 8 horas de fermentação a 27oC. No estudo da produção de isomaltulose por células íntegras imobilizadas de Erwinia sp. D12 em alginato de cálcio foi verificado que o tratamento dos grânulos de células imobilizadas com 0,06% de glutaraldeído, promoveu uma maior taxa de conversão, sendo obtido cerca de 72,3% de isomaltulose, após 12 horas de incubação em frascos sob agitação a 30ºC. As células íntegras imobilizadas e tratadas com 0,06% de glutaraldeído, em colunas de leito empacotado, apresentaram maior estabilidade do que àquelas imobilizadas sem tratamento com o aditivo, e mantiveram a conversão de sacarose em isomaltulose entre 50-60% por 10 dias, a partir de solução de sacarose 35% e fluxo de 0,56 mL/min a 30ºC. Foram estudados diferentes tratamentos para a preparação de células íntegras, células lisadas e extrato enzimático bruto imobilizados em alginato de cálcio. Os métodos que mostraram melhores resultados, em processo em batelada, foi o extrato enzimático bruto imobilizado em alginato de cálcio (EEI), em que foram obtidas taxas de conversão entre 59,7% e 63,3%; e células lisadas por sonicação e imobilizadas (CSI), com taxas de conversão entre 47,6% e 62,3%. A coluna de leito empacotado contendo grânulos de células lisadas imobilizadas (CSI) apresentou maior estabilidade do que a coluna contendo os grânulos de extrato enzimático bruto imobilizado (EEI). A coluna de leito empacotado de CSI converteu 53-59% de sacarose em isomaltulose durante sete dias, posteriormente houve queda lenta e gradual da conversão não havendo mais transformação em isomaltulose após 21 dias. No estudo da produção de isomaltulose utilizando-se células livres de Erwinia sp. D12, em processo em batelada, foi verificado o efeito do pH, da temperatura, da concentração do substrato sacarose e da concentração de massa celular em frascos agitados a 150 rpm e 30ºC. A conversão de sacarose em isomaltulose foi favorecida utilizando-se temperaturas superiores a 30ºC, pH entre 6,0-6,5, massa celular entre 7,5- 12,5% e solução de sacarose de 20-35%, obtendo-se rendimentos de isomaltulose acima de 50%. No estudo da vida útil das células livres em escala de bancada, utilizando-se frascos Erlenmeyers sob agitação, foi verificado que os parâmetros de conversão fixados a: temperatura de 35ºC, pH 6,5, concentração de substrato sacarose 35% e concentração de massa celular 10% foram os mais favoráveis, promovendo um alto rendimento em isomaltulose entre 70-75%, por 16 bateladas. Os ensaios realizados em escala piloto demonstraram a viabilidade da conversão de sacarose em isomaltulose por células livres, em que foram obtidos cerca de 114 litros de xarope com alto teor de isomaltulose (63,40%). Os cristais de isomaltulose, após clarificação e purificação do xarope convertido, apresentaram pureza de 96,5%.Isomaltulose is a reducing disaccharide and a structural isomer of sucrose. It has a mild sweet flavour and very similar physical and sensorial properties and has been considered as a promising substitute for sucrose in the food industry, due to some of its characteristics such as a low cariogenic potential and low glycemic index and the promotion of beneficial bifid bacteria in the intestinal microbial flora. It also shows greater stability than sucrose in acidified foods and drinks, and can be converted into isomalt, a dietetic sugar alcohol with no cariogenic potential for use in the food and pharmaceutical industries. The objectives of this research were the optimisation of a culture medium with reduced costs for the production of the enzyme glucosyltransferase by the strain Erwinia sp. D12, and the study of isomaltulose production from sucrose by free and immobilized cells. In the optimisation of the culture medium in shaken flasks, the highest glucosyltransferase activity achieved was 12.4 UA/mL of culture medium after 8 hours of fermentation at 30ºC, in a medium composed of 150 g/L of sugar cane molasses, 20 g/L of corn steep liquor- Milhocina® and 15 g/L of yeast extract Prodex Lac SD®, with the pH adjusted to 7.5. In the study for glucosyltransferase production in a 6.6-liter reactor using the optimised culture medium, the highest glucosyltransferase production achieved was 22.5 UA/mL of culture medium, after 8 hours of fermentation at 27ºC. In the study for isomaltulose production using Erwinia sp. D12 cells immobilized in calcium alginate, it was shown that the addition of 0.06% glutaraldehyde during the immobilization process, promoted a higher conversion rate, reaching about 72.3% isomaltulose after 12 hours of incubation at 30°C in shaken flasks. The immobilized whole cells treated with 0.06% glutaraldehyde, used in packed-bed reactors, presented greater stability than those immobilized without the addition of the additive, and maintained the conversion of sucrose into isomaltulose between 50-60% for 10 days, using a 35% sucrose solution with a flow rate of 0.56 mL/min at 30ºC. Different treatments were studied for the preparation of whole cells, lysed cells and a crude enzyme extract immobilized in calcium alginate. The methods that showed the best results in batch processes were the crude enzyme extract immobilized in calcium alginate (EEI), where conversion rates between 59.7% and 63.3% were achieved; and immobilized lysed cells (CSI), with conversion rates between 47.6% and 62.3%. The packed bed column containing granules of immobilized lysed cells (CSI) presented greater stability than that containing granules of immobilized crude enzymatic extract (EEI). The packed bed column with CSI converted 53-59% of sucrose into isomaltulose during seven days, and then showed a gradual decline in conversion, ceasing completely after 21 days. In the study of isomaltulose production using free Erwinia sp. D12 cells in a batch process, the effects of pH, temperature, sucrose substrate concentration and cell mass concentration were determined in shaken flasks at 150 rpm and 30ºC. The following conditions favoured the conversion of sucrose into isomaltulose: temperatures above 30ºC, pH between 6.0-6.5, cell mass between 7.5-12.5% and a sucrose concentration between 20-35%; when isomaltulose yields above 50% were obtained. The half-life of the free cells was studied on a bench scale in shaken Erlenmeyers flasks and it was shown that the following fixed conversion parameters were the most favourable: temperature of 35ºC, pH 6.5, 35% sucrose substrate concentration and 10% cell mass concentration; promoting high isomaltulose yields between 70-75%, for 16 batches. The pilot scale assays demonstrated the viability of the conversion of sucrose into isomaltulose by free cells, obtaining about 114 liters of high isomaltulose syrup (63.40%). The isomaltulose crystals, after clarification and purification of the converted syrup, showed a purity of 96.5%