Production of isomaltulose from sucrose using the bacteria Serratia plymuthica

A sacarose é o principal açúcar utilizado no processamento de alimentos, contudo, o consumo excessivo e não balanceado de alimentos com alto teor de sacarose contribui para a prevalência de doenças como obesidade e cáries dentárias. Nas últimas décadas, tem ocorrido um aumento do interesse pela produção de novos açúcares como alternativa para substituir a sacarose. A isomaltulose (O-a-D-glicopiranosil-1,6-frutofuranosídeo) é um açúcar pouco cariogênico e isômero estrutural da sacarose, encontrada naturalmente no mel em pequenas quantidades. A bactéria Serratia plymuthica ATCC 15928 produz a enzima glicosiltransferase e catalisa a conversão da sacarose em isomaltulose. Neste trabalho, utilizou-se a metodologia de superfície de resposta para estudar o efeito dos componentes do meio de cultivo na produção de glicosiltransferase pela bactéria Serratia plymuthica em frascos sob agitação a 200 rpm e 30ºC. Foi obtida alta produção de glicosiltransferase (14,26 UA/mL, média dos pontos centrais) utilizando-se o meio de cultivo 1, composto de 40 g/L de melaço de cana de açúcar, 15 g/L de peptona bacteriológica da BiobrásÒ e 20 g/L de extrato de levedura Prodex Lac SDÒ. O meio de cultivo 2 (40 g/L de melaço de cana de açúcar e 20 g/L de extrato de levedura Prodex Lac SDÒ), além de render ótima produção de glicosiltransferase (13,54 UA/mL, média dos pontos centrais), teve seu custo reduzido por ser formulado sem a adição do componente peptona bacteriológica da BiobrásÒ. Foi estudado o efeito da temperatura (26ºC, 28ºC e 30ºC) na fermentação da bactéria Serratia plymuthica para produção de massa celular e de glicosiltransferase em fermentador de 6,6 L. A maior produção de glicosiltransferase ocorreu após 6 horas de fermentação na temperatura de 26ºC, sendo obtida atividade enzimática de 25,97 UA/mL. As células livres da bactéria Serratia plymuthica foram utilizadas para a conversão de sacarose em isomaltulose. Utilizando-se concentração de massa celular úmida de 20% (p/v) e concentração de solução de sacarose de 25% (p/v) obteve-se alta porcentagem de isomaltulose (84,33%, valor médio dos meios de cultivo 1 e 2) após 2 horas de reação a 27ºC, em frascos sob agitação a 180 rpm. As células livres cultivadas em meio de cultivo 2 (sem adição de peptona bacteriológica da BiobrásÒ) foram reutilizadas por nove bateladas sucessivas e obteve-se eficiente conversão de sacarose em isomaltulose (75,20%, média das bateladas). Foi estudada a produção de isomaltulose a partir de sacarose por células da bactéria Serratia plymuthica imobilizadas em alginato de cálcio. A conversão de sacarose em isomaltulose pelas células imobilizadas foi feita em bioreatores de leito empacotado mantidos a temperatura de 25°C. O tratamento das células imobilizadas em alginatoSynthÒ 2% com glutaraldeído aumentou a atividade enzimática, sendo obtida conversão de sacarose em isomaltulose acima de 64% por 15 dias. A goma gelana KELCOGELÒ F foi utilizada como suporte para imobilização das células de Serratia plymuthica. As células imobilizadas em goma gelana tratadas com glutaraldeído foram secas por 36 horas, sob refrigeração a 10°C. As células imobilizadas foram transferidas para bioreatores mantidos a 25ºC e usadas na conversão contínua de sacarose em isomaltulose. Quando as células imobilizadas secas foram utilizadas no processo contínuo, a conversão de sacarose em isomaltulose manteve-se acima de 69% por 15 dias. Esse estudo demonstrou a possibilidade do uso da goma gelana KELCOGELÒ F como suporte para imobilização das células de Serratia plymuthica. O suporte utilizado combina a simplicidade na técnica de imobilização celular, boa estabilidade operacional e altas taxas de bioconversãoSucrose is the main sweetener used in food processing, but, the excessive and imbalanced consumption of high-sucrose foods is a contributory factor in obesity and dental caries. In the last few decades, the production of new sweeteners as alternatives to sucrose has aroused great interest. Isomaltulose (O-a-D-glucopyranosyl-1,6- fructofuranose) is a low cariogenic sweetener and a structural isomer of sucrose, naturally present in honey in small quantities. The bacteria Serratia plymuthica ATCC 15928 produces the enzyme glucosyltransferase and catalyses the conversion of sucrose into isomaltulose. In this work, response surface methodology was applied to study the effect of culture medium components in the production of glucosyltransferase by Serratia plymuthica in shaken flasks at 200 rpm and 30ºC. Higher glucosyltransferase production (14.26 UA/mL, average of the central points) was obtained in culture medium 1, composed of 40 g/L of sugar cane molasses, 15 g/L of BiobrásÒ bacteriological peptone and 20 g/L of Prodex Lac SDÒ yeast extract. Culture medium 2 (40 g/L of sugar cane molasses and 20 g/L of Prodex Lac SDÒ yeast extract, formulated without the component BiobrásÒ bacteriological peptone, resulted in a low cost medium and optimized glucosyltransferase production (13.54 UA/mL, average of the central points). The influence of temperature (26ºC, 28ºC and 30ºC) on the growth of the bacterium Serratia plymuthica for cell mass and glucosyltransferase production in a 6.6 L bioreactor, was also studied. The highest production of glucosyltransferase (25.97 UA/mL) was obtained in culture medium 1 after 6 hours at 26ºC. Free Serratia plymuthica cells were used for the conversion of sucrose into isomaltulose. A higher isomaltulose production (84.33%, mean value for culture media 1 and 2) was obtained at a temperature of 27ºC, 20% (w/v) wet cell mass and 25% (w/v) sucrose solution after 2 hours of reaction in shaken flasks at 180 rpm. The free cells cultivated in the culture medium 2 (without BiobrásÒ bacteriological peptone) were reused for nine successive batches, with efficient conversion of sucrose into isomaltulose (75.20%, average of the batches). Furthermore, the conversion of sucrose into isomaltulose using Serratia plymuthica cells immobilized in calcium alginate was also studied. The continuous production of isomaltulose by immobilized cells was accomplished in packed bed bioreactors maintained at 25°C. The treatment of cells immobilized in 2% SynthÒ alginate with glutaraldeyde increased enzyme activity obtaining an isomaltulose production of over 64% for 15 days. The gellan gum KELCOGELÒ F was also used as a support in the immobilization of Serratia plymuthica cells. The cells immobilized in gellan gum and treated with glutaraldeyde, were dried for approximately 36 hours at 10°C and used for the continuous production of isomaltulose. The immobilized cells were packed into bioreactors maintained at 25°C. When dry immobilized cells were used in the continuous process, the conversion of sucrose into isomaltulose was over 69% for about 15 days. This study demonstrated the feasibility of using KELCOGELÒ F gellan gum as a support in the immobilization of Serratia plymuthica cells. This support used combines the simplicity of the immobilization technique with good operational stability and high levels of bioconversio