Catalytic properties of fructosyltransferase from Rhodotorula sp., free and immobilized on inorganic support

A obtenção de fruto-oligossacarídeos (FOS), um açúcar prebiótico de vasta aplicação industrial, por enzimas imobilizadas abrange dois conceitos em grande expansão: aplicação industrial de enzimas imobilizadas e alimentos funcionais. A partir de flores da Mata Atlântica Brasileira uma cepa foi isolada e identificada como Rhodotorula sp. LEB-V10 e apresentou grande potencial para produção da enzima extracelular frutosiltransferase (FTase) - capaz de produzir FOS a partir da sacarose - sendo obtida apenas por precipitação com etanol (purificação parcial) direto do meio de cultivo livre de células, de acordo com estudos realizados previamente, a cinética entre a enzima imobilizada pura e a parcialmente purificada não apresentou diferenças significativas que justificassem etapas adicionais de purificação. Estudos anteriores selecionaram a adsorção em partículas do composto sólidoácido (Nb), uma liga formada por nióbio (~95%) e grafite (~5%) como metodologia sugerida para imobilização da FTase para produção de FOS. Dessa forma, este trabalho apresenta uma série de estudos de caracterização deste biocatalisador imobilizado. Após a imobilização, foi possível observar que além do pH de máxima atividade apresentado pela enzima livre (pH 4,5) um segundo ponto distinto de máxima atividade (25% menor que em pH 4,5) também foi observado, o pH 6,0 que demonstrou também ser uma condição de maior estabilidade térmica e também melhor condição de síntese com a enzima imobilizada. O estudo da termo-estabilidade revelou também que a imobilização induziu a formação de duas zonas de energias de ativação da desnaturação (Ead) diferenciadas: entre 47 e 51°C a enzima imobilizada é mais estável que a enzima livre e entre 52 e 70°C ela é menos estável. A incubação da FTase, imobilizada e livre, em 52°C por 15 min resultou numa ativação dos biocatalisadores, sendo mais pronunciada com a enzima imobilizada e em pH 4,5 apresentando um aumento de 1,8 vezes na atividade enzimática; no entanto, observou-se que esta ativação é momentânea e não acumulativa com outras metodologias como a liofilização; isto sugere que esta temperatura representa algum tipo de limite energético para a FTase que é um hetero-dímero e pode apresentar diversas interações com o nióbio. A otimização da síntese de FOS realizada pela aplicação da metodologia de planejamento experimental com a enzima imobilizada permitiu um aumento do rendimento (YFOS = 0,58) em 5%, uma redução no tempo de síntese (24 h) em 4 vezes e um aumento da produtividade (12,05 g/L.h) em 6 vezes. A adsorção da FTase ao nióbio demonstrou não utilizar os sítios ativos uma vez que, a adição da sacarose ao meio de dispersão para adsorção, não alterou o desempenho do biocatalisador, porém a adição de CuSO4 que é um forte estabilizador térmico para esta enzima, resultou num biocatalisador incapaz de produzir FOS. Tendo em vista a aplicação industrial da FTase, avaliou-se também os efeitos da liofilização sobre a enzima livre e imobilizada. Com a enzima livre a liofilização causou perda de atividade enzimática em função da densidade da solução de partida, mas, resultou num pó com até 6 vezes mais atividade por grama do que em relação à enzima livre não liofilizada; a adição individual de compostos crio-protetores apresentou maior efeito estabilizador do que em formulações. Com a enzima imobilizada, a liofilização não apresentou grandes diferenciações, observou-se de forma geral uma manutenção das características originais do imobilizado de partida. Todavia, uma importante diferenciação proveniente da liofilização foi observada tanto para a enzima livre quanto imobilizada: a cinética de produção de FOS, o rendimento foi aumentado em diferentes proporções mas, especialmente, foi observada uma elevada composição de GF4. Estudos mais específicos sobre a estrutura tridimensional forneceriam informações mais precisas sobre o efeito da liofilização. Adicionalemente, duas enzimas comerciais (inulinase e invertase) foram igualmente imobilizadas em nióbio, mas, não foram observadas alterações tão expressivas quanto às observadas com a FTase. Dessa forma, a imobilização da FTase em nióbio revela ser uma metodologia com grande potencial de aplicação em reatores. Como resultado deste trabalho, encontram-se publicados até o momento os Capítulos 2 e 4 e aceito para publicação o Capítulo 5The production of fructooligosaccharides (FOS) - a prebiotic sugar with wide industrial application - from immobilized enzymes includes two modern concepts: industrial application of immobilized enzymes and functional food. A strain isolated from flowers from the Brazilian Atlantic Forest identified as Rhodotorula sp. LEB-V10 showed great potential for production of the extracellular fructosyltransferase (FTase), which is capable of producing FOS from sucrose. It can be recovered only by precipitation with ethanol (partial purification), directly from the cell-free culture medium. According to previous studies, the kinetics between purified and partially purified immobilized enzymes showed no significant differences that could justify additional purification steps. Other previous studies have selected the adsorption on particles of a solid-acid support (Nb) an alloy consisting of niobium (~95%) and graphite (~5%) as suggested methodology for the immobilization of FTase for FOS production. Thus, this work presents a series of characterization studies of this immobilized biocatalyst. After the immobilization, it was observed that besides the pH of maximum activity presented by the free enzyme (pH 4.5), a second distinct point of maximum activity (25% lower than at pH 4.5) was also observed, pH 6.0, wich was proved to be the best condition for thermal stability and also better for synthesis with the immobilized enzyme than pH 4.5. The study of thermal stability has also shown that immobilization induces the formation of two distinct phases with different denaturation activation energy (Ead): between 47 and 51°C, the immobilized enzyme is more stable than the free enzyme, and between 52 and 70°C it is less stable. Incubation of free and immobilized FTase at 52°C for 15 min resulted in enzymatic activation, being more pronounced with the immobilized enzyme at pH 4.5 with a 1.8-fold increase in enzyme activity. However, due to other studies carried out in this work, it has been shown that this activation is merely transient and not cumulative regarding other methodologies, indicating that this temperature is a kind of energetic threshold, and also because FTase is a hetero-dimer, which may lead to different interactions with the niobium support. The optimization of the synthesis of FOS carried out by applying the methodology of experimental design with the immobilized enzyme, allowing a yield increase (YFOS = 0.58) of 5%, a reduction in synthesis time (24 h) of 4 times and an increased productivity (12.05 g/L.h) of 6 times. The adsorption on niobium has shown not to involve the FTase active sites, since the addition of sucrose to the dispersion medium for adsorption did not affect the performance of the biocatalyst. On the other hand, the addition of CuSO4, which is a strong thermal stabilizing agent for this enzyme, resulted in a biocatalyst incapable of producing FOS. Considering the industrial application of FTase, it was also evaluated the effects of lyophilization over the free and immobilized enzyme. With the free enzyme, lyophilization caused loss of enzyme activity in dependence on the density of the starting solution, but in general, resulted in a powder with up to 6 times more activity per gram as compared to non-lyophilized free enzyme; the individual effects of cryo-protectants additives presented higher stabilizing effect than with the presence of other protectants. The lyophilization of the immobilized enzyme did not show drastic effects and it was observed, in general, the maintenance of the initial properties and characteristics before lyophilization. For both, free and immobilized enzyme was possible to observe significant changes in the kinetics of FOS production, the yield was increased in different proportions but, especially, there was a high composition of GF4, which was not observed before lyophilization. In addition, two commercial enzymes (inulinase and invertase) were immobilized on niobium but no significant changes were observed as those with FTase. Thus, the immobilization of FTase in niobium proves to have a big potential for application due to operational features. As a result of this work, two articles have been published (Chapters 2 and 4) and one has been accepted for publication (Chapter 5