Single molecule studies of enzymes have revealed that nominally identical individual enzyme molecules are functionally heterogeneous. Different individual molecules exhibit different catalytic rates under identical conditions, and individual enzyme molecules show fluctuating rates over broad timescales. The structural basis and the biological sources for such heterogeneity remains poorly understood. Herein, studies are presented of the β-galactosidase from Escherichia coli, using capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence (CE-LIF), to investigate the sources of catalytic heterogeneity at the single molecule level. Limited proteolysis as a possible source for single molecule heterogeneity, and for the changes in activity of a population of individual molecules over time, was investigated by inducing enzyme expression in two E.coli strains in the presence of a broad spectrum of protease inhibitors. The effect of protease inhibitors was found to be limited. β-Galactosidase was expressed from a lacZ linear template from two different E. coli strains using an in vitro protein expression system to determine if in vitro synthesized enzyme was identical to its in vivo counterpart. In vitro synthesized enzyme was found to be less active than in vivo sources. The differences were attributed to deficient N-terminal methionine removal and the higher rates of translation error associated with in vitro protein synthesis. Single molecule separations revealed that individual molecules of β-galactosidase were electrophoretically distinct, and that the electrophoretic heterogeneity was independent of source of enzyme, method of measurement, or of capillary coating. Electrophoretic modeling indicated that slight variation of hydrodynamic radius is the most likely source of electrophoretic mobility heterogeneity. The extent of single molecule catalytic variation was reduced in a mutant with a hyperaccurate translation phenotype implying that translation error is a source of the heterogeneity. Streptomycin-induced translation error reduced average activity, but did not lead to an increase in catalytic heterogeneity. No relationship between translation error and electrophoretic heterogeneity was observed. A novel CE-LIF assay was developed for the continuous monitoring of the catalytic activity and electrophoretic mobility of individual β-galactosidase molecules. Thermally-induced catalytic fluctuations were observed suggesting that individual enzyme molecules were capable of conformational fluctuations that supported different catalytic rates.

Single molecule studies of enzymes have revealed that nominally identical individual enzyme molecules are functionally heterogeneous. Different individual molecules exhibit different catalytic rates under identical conditions, and individual enzyme molecules show fluctuating rates over broad timescales. The structural basis and the biological sources for such heterogeneity remains poorly understood. Herein, studies are presented of the β-galactosidase from Escherichia coli, using capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence (CE-LIF), to investigate the sources of catalytic heterogeneity at the single molecule level. Limited proteolysis as a possible source for single molecule heterogeneity, and for the changes in activity of a population of individual molecules over time, was investigated by inducing enzyme expression in two E.coli strains in the presence of a broad spectrum of protease inhibitors. The effect of protease inhibitors was found to be limited. β-Galactosidase was expressed from a lacZ linear template from two different E. coli strains using an in vitro protein expression system to determine if in vitro synthesized enzyme was identical to its in vivo counterpart. In vitro synthesized enzyme was found to be less active than in vivo sources. The differences were attributed to deficient N-terminal methionine removal and the higher rates of translation error associated with in vitro protein synthesis. Single molecule separations revealed that individual molecules of β-galactosidase were electrophoretically distinct, and that the electrophoretic heterogeneity was independent of source of enzyme, method of measurement, or of capillary coating. Electrophoretic modeling indicated that slight variation of hydrodynamic radius is the most likely source of electrophoretic mobility heterogeneity. The extent of single molecule catalytic variation was reduced in a mutant with a hyperaccurate translation phenotype implying that translation error is a source of the heterogeneity. Streptomycin-induced translation error reduced average activity, but did not lead to an increase in catalytic heterogeneity. No relationship between translation error and electrophoretic heterogeneity was observed. A novel CE-LIF assay was developed for the continuous monitoring of the catalytic activity and electrophoretic mobility of individual β-galactosidase molecules. Thermally-induced catalytic fluctuations were observed suggesting that individual enzyme molecules were capable of conformational fluctuations that supported different catalytic rates.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005Bitstream added on 2014-06-13T18:46:07Z : No. of bitstreams: 1 adalberto_pr_dr_araiq.pdf: 786247 bytes, checksum: cf55691544529062c4d2288dd8709c7a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A β-D-galactopiranosídeo hidrolase é uma enzima com ampla aplicação tecnológica, clínica e experimental. A enzima possui um íon de metal bivalente coordenado. Para se obter informações a respeito do centro metálico da enzima, algumas espécies de fungos filamentosos foram testadas para a produção de β−galactosidase, ente as quais, a linhagem de Trichoderma reesei FTKO foi selecionada. O extrato enzimático, ao passar pelo processo de purificação, revelou ao menos duas isoformas de β- galactosidase identificadas como BGT I e BGT II. As enzimas são termofílicas e termotolerantes. A dependência do pH para a atividade, os valores de medidas cinéticas e a atividade revelada em gel de poliacrilamida distinguem as isozimas. Para avaliar a necessidade de metais bivalentes foi padronizada uma metodologia de desativação da enzima, apoiado na competição entre o agente seqüestrante e a enzima pelos metais. A metodologia foi aplicada ao o extrato comercial Lactozym 3000 (Novozyme Latin America Ltd.) revelou a necessidade de metal para a sua atividade com a desativação seguida de reativação pelos íons Mg2+, Mn2+, Co 2+, Ni2+, mas não por Zn2+ e Eu3+. A enzima BGT I (pH ótimo de 4,5) mostrou-se, contudo, resistente à desativação, pois se mantém ativa mesmo em altas concentrações de EDTA. / The β-D-galactopiranosyde-hidrolase is an enzyme with large technological, clinic, and scientific application. The enzyme coordinates a bivalent metal ion. In order to investigate the metal center of the enzyme of moulds, some strains were tested for β−galactosidase production. Among then, Trichoderma reesei FTKO were selected. The partially purified enzymatic extract reveals the production of two isoforms of β-galactosidase, at least. This enzymes are identified as BGT I e BGT II. Both are termophylic and thermotolerant. The pH dependence, the measured kinetic values and the activity revealed in polyacrylamide electrophoresis gels distinguished the isozymes. The metal assistance of enzymatic activity was evaluated in a standard deactivation methodology of enzyme by competition for the metal by chelating agent and metal site of enzyme. When this methodology was applied in the deactivation of commercial extract Lactozym 3000 (Novozyme Latin America Ltd.), revealed the metal importance for activity. The deactivation was reverted by metals ions as Mg2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, but not by Zn2+ or Eu3+. On the other hand BGT I enzyme (optimal pH of 4,5) maintained the activity, even in high concentration of EDTA.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:19:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAMPOS_Paula_2014.pdf: 1924698 bytes, checksum: d5134f8bff1512ce41535c0a1f61d175 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work the immobilization of enzyme β-Galactosidase has been investigated with use of assembly technique of nanostructured films denominated LbL (Layer-by-Layer) for employment in an amperometric biosensor of lactose. Therefore, spectroscopy measured has made for UV-vis (Ultraviolet-visible) and fluorescence, in order to monitor the bands of absorption and emission of each bilayer deposited and to confirm the presence of enzyme in the films. It has made too FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and SFG (Sum Frequency Generation) for the purpose to understand the films structure, the interactions present and the efficiency of technique in the immobilization process. For the lactose detection amperometric measured have carried and that way the performance of modified electrode have evaluated in relation to enzyme immobilization, the polyelectrolytes performance Poly (allylamine hydrochloride) (PAH) and Poli (etileno imina) (PEI) and poly(ethyleneimine) and the operations conditions of biosensor which sensibility, limit of detection, interferences and stability. The evaluation of enzyme deposition by UV-vis and fluorescence showed that the films growth has been satisfactory presenting the characteristics bands of da β-Gal regarding to amino acid residues tryptophan, tyrosine and phenylalanine, among others, in λ = 280 nm for absorption and λ = 344 nm for emission and the deposition of material has been growing. The spectrum of FTIR and SFG indicated bands of chemical groups characteristics of polymers and enzyme and proved that the bonds, probably secondary of the elements are sufficiently strong for to keep the films in substrate during the sensory evaluation. In lactose detection it has made electrode of (PEI/β-Gal)n e (PAH/β-Gal)n both of ten and third bilayers. The sensibility of film (PEI/β-Gal)10 was 0.061 μA mmol-1 cm-2, while the (PAH/β-Gal)10 was 0.079 μA mmol-1 cm-2. In order to increase the efficiency of the biosensors, electrodes compounds for third bilayers were tested, this way the film (PEI/β-Gal)30 has achieved a sensibility higher than the previous electrodes of 0.31 μA mmol-1 cm-2, is likely that a great amount of enzyme has been immobilized. However, the film ITO/PB/(PAH/β-Gal)30 has not get the same efficiency despite de number of bilayer have been increase. Have been identified two interferences, the glucose and the ascorbic acid, but both can be avoided, the first with use of a biosensor for glucose coupled with lactose biosensor and the second causes an elevation on current, being naturally differentiated. The stability of the biosensor was twelve days, being measured in days alternate. All experiments performed to converge to prove that the LbL technique were adequate to assembly the biosensor and that lactose detection can be done and in levels nearby to real samples, but is possible to improve the system still with studies more expanders about the films structure and to test news biosensors configurations. / Neste trabalho investigou-se a imobilização da enzima β-Galactosidase utilizando a técnica de automontagem de filmes nanoestruturados, denominada LbL (Layer-by-Layer do inglês) para o emprego em um biossensor amperométrico de lactose. Foram feitas medidas espectroscópicas por Ultravioleta e visível (UV-vis) e fluorescência, a fim de monitorar as bandas de absorção e emissão de cada bicamada depositada e confirmar a presença da enzima nos filmes. Fez-se também espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR) e Geração de Soma de Frequências (SFG) para compreender a estrutura dos filmes, as interações presentes e a eficiência da técnica no processo de imobilização. Para a detecção de lactose realizou-se medidas amperométricas e dessa forma avaliou-se o desempenho do eletrodo modificado em relação à imobilização da enzima, a eficiência dos polieletrólitos Poli (alilaminahidroclorada) (PAH) e Poli (etileno imina) (PEI) e as condições de operação do biossensor tais como sensibilidade, limite de detecção, interferentes e estabilidade. A avaliação da deposição da enzima pelo UV-vis e fluorescência mostrou que o crescimento dos filmes foi satisfatório, apresentando as bandas características da β-Gal atribuídas aos resíduos de aminoácidos triptofano, tirosina e fenilalanina, entre outros, em λ = 280 nm por absorção e sendo os mesmo responsáveis pela emissão em λ = 344 nm sendo que a deposição de material foi crescente. Os espectros de FTIR e SFG indicaram bandas de grupamentos químicos característicos dos polímeros e da enzima e comprovaram que as interações, provavelmente secundárias, entre os elementos são fortes o suficiente para manter o filme no substrato durante as avaliações sensoriais. Na detecção de lactose foram feitos eletrodos de ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)n e ITO/PB/(PAH/PVS)1/(PAH/β-Gal)n ambos com dez e trinta bicamadas. A sensibilidade do filme ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)10 foi 0,061 μA.mmol-1.cm-2, enquanto o ITO/PB/(PAH/PVS)1/(PAH/β-Gal)10 foi 0,079 μA.mmol-1.cm-2. A fim de aumentar a eficiência do biossensor eletrodos compostos por 30 bicamadas foram testados, dessa forma o filme ITO/PB/(PEI/PVS)1/(PEI/β-Gal)30 alcançou uma sensibilidade superior aos eletrodos anteriores de 0,31 μA.mmol-1.cm-2, pois é possível que uma maior quantidade de enzimas tenha sido imobilizada. Entretanto o filme ITO/PB/(PAH/PVS)1/ (PAH/β-Gal)30 não obteve a mesma eficiência mesmo tendo o número de bicamadas aumentado, o que pode ser atribuído à estrutura do polieletrólito. Foram identificados dois interferentes, a glicose e o ácido ascórbico, mas ambos podem ser evitados, o primeiro com o uso de um biossensor para glicose acoplado ao da lactose e o segundo causa uma elevação na corrente, sendo naturalmente diferenciado. A estabilidade do biossensor foi de 12 dias, com medida em dias alternados. Todos os experimentos realizados convergem para provar que a técnica LbL foi adequada para a construção do biossensor e que a detecção da lactose pode ser feita em níveis de concentração próximos à de amostras reais, mas ainda é possível aprimorar o sistema com estudos mais aprofundados sobre a estrutura dos filmes e testar novas configurações de biossensores.

Resumo: A β-D-galactopiranosídeo hidrolase é uma enzima com ampla aplicação tecnológica, clínica e experimental. A enzima possui um íon de metal bivalente coordenado. Para se obter informações a respeito do centro metálico da enzima, algumas espécies de fungos filamentosos foram testadas para a produção de β−galactosidase, ente as quais, a linhagem de Trichoderma reesei FTKO foi selecionada. O extrato enzimático, ao passar pelo processo de purificação, revelou ao menos duas isoformas de β- galactosidase identificadas como BGT I e BGT II. As enzimas são termofílicas e termotolerantes. A dependência do pH para a atividade, os valores de medidas cinéticas e a atividade revelada em gel de poliacrilamida distinguem as isozimas. Para avaliar a necessidade de metais bivalentes foi padronizada uma metodologia de desativação da enzima, apoiado na competição entre o agente seqüestrante e a enzima pelos metais. A metodologia foi aplicada ao o extrato comercial Lactozym 3000 (Novozyme Latin America Ltd.) revelou a necessidade de metal para a sua atividade com a desativação seguida de reativação pelos íons Mg2+, Mn2+, Co 2+, Ni2+, mas não por Zn2+ e Eu3+. A enzima BGT I (pH ótimo de 4,5) mostrou-se, contudo, resistente à desativação, pois se mantém ativa mesmo em altas concentrações de EDTA. / Abstract: The β-D-galactopiranosyde-hidrolase is an enzyme with large technological, clinic, and scientific application. The enzyme coordinates a bivalent metal ion. In order to investigate the metal center of the enzyme of moulds, some strains were tested for β−galactosidase production. Among then, Trichoderma reesei FTKO were selected. The partially purified enzymatic extract reveals the production of two isoforms of β-galactosidase, at least. This enzymes are identified as BGT I e BGT II. Both are termophylic and thermotolerant. The pH dependence, the measured kinetic values and the activity revealed in polyacrylamide electrophoresis gels distinguished the isozymes. The metal assistance of enzymatic activity was evaluated in a standard deactivation methodology of enzyme by competition for the metal by chelating agent and metal site of enzyme. When this methodology was applied in the deactivation of commercial extract Lactozym 3000 (Novozyme Latin America Ltd.), revealed the metal importance for activity. The deactivation was reverted by metals ions as Mg2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, but not by Zn2+ or Eu3+. On the other hand BGT I enzyme (optimal pH of 4,5) maintained the activity, even in high concentration of EDTA. / Orientador: Antonio Carlos Massabni. / Coorientador: Rubens Monti. / Doutor

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos, Escola de Química e Alimentos, 2010. / Submitted by Caroline Silva (krol_bilhar@hotmail.com) on 2012-08-19T20:33:18Z No. of bitstreams: 1 dissertao graciella campello.pdf: 486302 bytes, checksum: 0f3c85b47643a8359572feee54269a00 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-09-24T23:15:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao graciella campello.pdf: 486302 bytes, checksum: 0f3c85b47643a8359572feee54269a00 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-09-24T23:15:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao graciella campello.pdf: 486302 bytes, checksum: 0f3c85b47643a8359572feee54269a00 (MD5) Previous issue date: 2010 / Este trabalho teve como objetivo principal investigar a imobilização da enzima β- galactosidase comercial de Kluyveromyces lactis (Lactozym®), bem como caracterizar a enzima livre e imobilizada visando sua aplicação na reação de hidrólise da lactose. Foram feitos testes preliminares com três suportes diferentes para a imobilização (alginato, quitosana e Eupergit® C), sendo que os valores de recuperação da atividade enzimática foram, respectivamente, 2,43%, 6,27% e 41,86%, selecionando-se o suporte Eupergit® C como o mais promissor. Um planejamento Plackett-Burman, correspondente a 12 ensaios mais 3 réplicas no ponto central, foi proposto a fim de verificar os efeitos das variáveis temperatura, pH, força iônica, tempo de imobilização, concentração de galactose, concentração de íons Mg2+ e volume de enzima na imobilização de β-galactosidase em Eupergit® C. A força iônica e o pH foram as variáveis que apresentaram efeito significativo (p<0,1) na imobilização, sendo que o aumento da força iônica de 0,1 M para 1,5 M e o aumento do pH de 6,6 para 7,4 representaram aumento de 30,0% e redução de 17,3% na recuperação da atividade enzimática, respectivamente. À temperatura de 25°C, pH 6,6, concentração salina de 1,5 M, tempo de imobilização de 8 h, concentração de Mg2+ de 1 mM e 0,4 mL de enzima adicionada, atingiu-se 85% de recuperação da atividade enzimática. As enzimas livre e imobilizada, nas melhores condições em Eupergit® C, foram caracterizadas quanto aos perfis de pH e temperatura, estabilidade térmica, parâmetros cinéticos e termodinâmicos. Quanto aos perfis de pH e temperatura, foram obtidos, para ambas, valores máximos de atividade enzimática em pH 6,6 e 45°C. Houve um ganho de estabilidade térmica com a imobilização enzimática, tendo-se observado um aumento de cerca de 4 vezes no tempo de meia-vida da enzima imobilizada a 45oC, em relação à livre, o que pode representar vantagens na utilização da enzima imobilizada em escala comercial. Os valores de energia de ativação para as enzimas livre e imobilizada foram, respectivamente, iguais a 35,28 kJ.mol-1 e 29,46kJ.mol-1; e os valores de energia de ativação da reação de desnaturação para as enzimas livre e imobilizada foram iguais, respectivamente, a 266,12 kJ.mol-1 e 198,77 kJ.mol-1. Foram determinados os parâmetros cinéticos para as enzimas livre e imobilizada, sendo que os valores de Km, 30,33 mM e 104,00 mM, respectivamente, representaram uma diminuição da afinidade da enzima pelo substrato com a imobilização, possivelmente devido a fatores estéricos e conformacionais. Parâmetros termodinâmicos foram calculados, evidenciando novamente a maior estabilidade térmica da enzima imobilizada e indicando que a perda de estabilidade de ambas as enzimas, livre e imobilizada, parece não estar associada a alterações relevantes na estrutura terciária. / Immobilization of b-galactosidase (Lactozym®) on Eupergit® C and its characterization This study aimed to investigate the immobilization of commercial β-galactosidase from Kluyveromyces lactis (Lactozym®) and characterize the free and immobilized enzymes for their application in lactose hydrolysis. Three preliminaries tests were carried out with three different supports for immobilization (alginate, chitosan and Eupergit® C), and the values for recovery of enzyme activity were, respectively, 2.43%, 6.27% e 41.86%, selecting Eupergit® C as the most promising. A Plackett-Burman design, composed of 12 assays over 3 central points was proposed in order to verify the effects of temperature, pH, ionic strength, reaction time, galactose concentration, Mg2+ concentration and enzyme volume on β-galactosidase immobilization using Eupergit® C support. The ionic strength and pH were the variables that presented significant effect (p<0.1) on immobilization. The increase in the ionic strength from 0.1 to 1.5 M and the decrease in pH from 6.6 to 7.4 represented an increase of 30.0% and a reduction of 17.3% in the recovery of enzyme activity, respectively. At 25°C, pH 6.6, salt concentration of 1.5 M, immobilization for 8 h, 1 mM Mg2+ and 0.4 mL of enzyme added, reached 85% recovery of enzymatic activity. The free and immobilized enzyme on Eupergit® C were characterized,determining pH and temperature profiles, thermal stability, kinetic and thermodynamic parameters. pH and temperature profiles showed maximum activity at pH 6.6 and 45°C. There was a gain in thermal stability with the enzyme immobilization and there was an increase of about 4 times in the half-life of immobilized enzyme at 45°C, which may represent advantages when using in a commercial scale. The values of activation energy for free and immobilized enzymes were, respectively, equal to 35.28 kJ.mol-1 and 29.46 kJ.mol-1, and the values of activation energy of denaturation reaction for free and immobilized enzymes were equal, respectively, to 266.12kJ.mol-1 and 198.77 kJ.mol-1. Kinetic parameters were determined for the immobilized and free enzyme. Km values of 30.33 mM and 104.00 mM, respectively, represented a decrease of the affinity of the enzyme by the substrate with immobilization, possibly due to steric and conformational factors. Thermodynamic parameters were calculated, showing the higher thermal stability of the immobilized enzyme and indicating that the loss of stability of both enzymes, immobilized and free, does not seem to be associated with significant changes in tertiary structure.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos, Escola de Química e Alimentos, 2008. / Submitted by Caroline Silva (krol_bilhar@hotmail.com) on 2012-09-24T17:54:51Z No. of bitstreams: 1 dissertao de mestrado cristiane.pdf: 830083 bytes, checksum: 8a0fe102af2eaf27474ab995424a5309 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-12-01T16:25:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao de mestrado cristiane.pdf: 830083 bytes, checksum: 8a0fe102af2eaf27474ab995424a5309 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-12-01T16:25:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao de mestrado cristiane.pdf: 830083 bytes, checksum: 8a0fe102af2eaf27474ab995424a5309 (MD5) Previous issue date: 2008 / Os galactooligossacarídeos (GOS) vêm sendo considerados como novos ingredientes funcionais dos alimentos, apresentando um grande potencial para melhorar a qualidade dos mesmos, sendo denominados como prebióticos, devido às suas características fisiológicas e tecnológicas. Podem ser produzidos a partir de lactose, principal açúcar presente no soro de leite, através de uma reação enzimática com o uso da enzima β-galactosidase, que possui atividade de transgalactosilação. Este trabalho tem como objetivo principal estudar a obtenção de galactooligosacarídeos por via enzimática. Foi utilizada b-galactosidase de Kluyveromyces lactis Lactozym® 3000L (Novozymes) e, como substratos, a lactose e o soro de leite. Um planejamento experimental 23 totalizando 11 ensaios foi proposto para cada um dos substratos, verificando-se a influência da temperatura (30 a 40°C), concentração de lactose (20 a 40%) e concentração da enzima (5 a 10 U.mL-1), obtendo-se como respostas a concentração de GOS máxima, o rendimento de GOS máximo, a produtividade de GOS máxima e conversão de lactose máxima. Os ensaios foram conduzidos a 180 rpm de agitação, em meio aquoso e pH 7,0 (tampão fosfato de sódio 0,1M), retirandose alíquotas ao longo do tempo, sendo os açúcares presentes em cada amostra quantificados através de um sistema de cromatografia líquida de alta eficiência HPLCPAD (Dionex). A enzima Lactozym® 3000L apresentou atividade de transgalactosilação na presença dos dois substratos. Utilizando como substrato lactose o rendimento atingiu 43,8% e a concentração de GOS foi de 175,3 g/L no sistema reacional composto por 40% de lactose e 10 U.mL-1 de enzima a 30°C. No entanto a produtividade máxima alcançada, de 41,1 g.L-1.h-1, bem como a máxima conversão de lactose (80,5%), foram obtidas em condições de síntese distintas. Utilizando como substrato soro de leite, os valores máximos obtidos para as respostas concentração de GOS (119,8 g.L-1) e rendimento (29,95%) em 4 h de processo foram obtidos no sistema reacional composto por 40% de lactose e 10 U.mL-1 de enzima a 40°C. Nestas condições a produtividade máxima alcançada foi de 64,4 g.L-1.h-1. O máximo valor alcançado para conversão de lactose (87,8%) foi obtido nas mesmas condições de temperatura e concentração de enzima, mas com 20% de lactose. / Galactooligosaccharides (GOS) have been considered as new functional food ingredients, presenting a great potential to improve its quality. They are denominated as prebiotics, due to their physiological and technological characteristics. They can be produced from lactose, the main sugar of the whey, through an enzymatic reaction with the use of the enzyme β-galactosidase, with transgalactosylation activity. The main goal of this work was to study the enzymatic production of galactooligosaccharides. It was used β-galactosidase from Kluyveromyces lactis Lactozym® 3000L (Novozymes) and, as substrates, lactose and whey. A 23 experimental design (11 assays) was proposed for each substrate, verifying the effect of the temperature (30 to 40°C), lactose concentration (20 to 40%) and concentration of the enzyme (5 to 10 U.mL-1). The responses were maximum GOS concentration, maximum GOS yield, maximum productivity and maximum lactose conversion. Assays were carried out at 180 rpm in aqueous medium and pH 7.0 (0.1 M sodium phosphate buffer). Samples were collected and sugars were quantified by high performance liquid chromatography (HPLC-PAD system, Dionex). For lactose the yield reached 43.8% and GOS concentration was 175.3 g.L-1, in the system composed by 40% of lactose and 10 U.mL-1 of enzyme at 30°C. However, maximum productivity (41.1 g.L-1.h-1) as well as maximum lactose conversion (80.5%) were obtained in different conditions. For whey, the maximum values for the responses GOS concentration (119.8 g.L-1) and yield (29.95%) in 4 h of process were obtained in the system composed by 40% of lactose and 10 U.mL-1 of enzyme at 40°C. In these conditions, maximum productivity was 64.4 g.L-1.h-1. The maximum value for lactose conversion (87.8%) was obtained in the same temperature and enzyme concentration, but with 20% of lactose.

Submitted by Mario BC (mario@bc.ufrpe.br) on 2018-07-30T13:09:39Z No. of bitstreams: 1 Patricia de Oliveira Leite Farias.pdf: 2191536 bytes, checksum: 7dcb59d0b9807994dffa19a1d1a70acb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-30T13:09:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Patricia de Oliveira Leite Farias.pdf: 2191536 bytes, checksum: 7dcb59d0b9807994dffa19a1d1a70acb (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / Cheese whey is the aqueous portion milk rich in lactose, which separates the curd during cheese manufacture which makes it of great importance effluent dairy industries. With the rapid advances in microbial biotechnology, it is considered good alternative to its use, as a substrate inexpensive and available in obtaining β-galactosidase, which is widely used for pharmaceutical and food industries. The sources most widely used for its production are yeasts, as the species Kluyveromyces lactis and Kluyveromyces marxianus. The objective of this study was to evaluate the feasibility of using the cheese whey, in isolation or in combination with other carbon sources for the production of β-galactosidase enzyme, using Kluyveromyces lactis URM 6684, using the planning simplex centroid mixture. 9 fermentations were carried out using three sources of carbon: cheese whey, lactose and sucrose PA PA. During the study it was determined biomass, pH and after cell disruption, enzymatic activity. With regard to biomass, medium with sucrose had better results E5 (7,8 g / L), E8 (6,8 g / L) and E6 (6,1 g / L). The enzyme activity is presented to best results in medium with cheese whey: E1 (0,65 U / ml), E4 (0,33 U / ml) and E6 (0,40 U / ml). Statistical analysis showed that the enzyme activity showed the best fit to the quadratic and cubic models, which presented the best fit quadratic and cubic models, with coefficients, RA2 = 0.86 and RA2 = 0.93. The results showed that whey was presented as a suitable source of carbon and low cost for production of the enzyme, adding more value to its use, and reduce the costs of production of β-galactosidase enzyme, increasing its availability commerce more affordable and enabling their application in the dairy food industry. / O soro de leite ou de queijo é a porção aquosa do leite, rico em lactose, que se separa do coágulo durante a fabricação de queijos o que o torna efluente de grande relevância das indústrias de laticínios. Com os rápidos avanços em biotecnologia microbiana, considera-se boa alternativa para sua utilização, por ser um substrato barato e disponível, na obtenção de β-galactosidase, que é amplamente utilizada pelas indústrias farmacêutica e de alimentos. As fontes mais utilizadas para sua produção são as leveduras, como as espécies Kluyveromyces lactis e Kluyveromyces marxianus. O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade do uso do soro de queijo, de forma isolada ou combinada a outras fontes de carbono, para produção da enzima β-galactosidase, utilizando Kluyveromyces lactis URM 6684, empregando o planejamento de mistura simplex centroide. Foram realizadas 9 fermentações utilizando três fontes de carbono: soro de queijo, lactose PA e sacarose PA. Durante o estudo foram determinados valores de biomassa, pH e, após rompimento celular, atividade enzimática. Com relação à biomassa, meios com presença de sacarose obtiveram melhores resultados: E5(7,8 g/L), E8 (6,8 g/L) e E6 (6,1 g/L). A atividade enzimática apresentou-se com melhores resultados em meios com presença de soro de queijo: E1(0,65 U/mL), E4 (0,33 U/mL) e E6 (0,40 U/mL). A análise estatística evidenciou que a atividade enzimática apresentou melhor ajuste aos modelos quadrático e cúbico, a qual apresentou melhor ajuste aos modelos quadrático e cúbico, com coeficientes, RA2, de 0,86 e 0,93. Os resultados encontrados demonstraram que o soro de queijo apresentou-se como uma fonte de carbono adequada e de baixo custo para produção da enzima, agregando maior valor para seu uso, além de reduzir os custos da produção da enzima β-galactosidase, aumentando sua disponibilidade no comércio a preços mais acessíveis e viabilizando sua aplicação na indústria de alimentos derivados de leite.

Submitted by Nathália Faria da Silva (nathaliafsilva.ufv@gmail.com) on 2017-07-13T14:06:37Z No. of bitstreams: 1 texto completo.PDF: 366653 bytes, checksum: 8a45b52da863a243cba7f8275fc1ef4c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-13T14:06:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.PDF: 366653 bytes, checksum: 8a45b52da863a243cba7f8275fc1ef4c (MD5) Previous issue date: 2001-09-05 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A levedura Kluyveromyces marxianus var. lactis (K. lactis) foi cultivada em soro de queijo ultrafiltrado (SUF) em regimes de batelada e contínuo com o objetivo de investigar as condições fisiológicas que levam ao aumento e à queda da atividade de β-galactosidase na entrada da fase de desaceleração do crescimento. As fases fisiológicas do crescimento no cultivo em batelada foram caracterizadas, e observou-se que as concentrações iniciais de células de DO 600 0,1, 0,2 e 0,3 afetam a velocidade de crescimento, porém a delimitação das fases de crescimento é semelhante. A fase estacionária do crescimento foi apenas iniciada em 144 horas, o que permitiu uma longa fase de desaceleração do crescimento. O aumento e a queda na atividade de β-galactosidase foram acompanhados durante os cultivos, assim como a utilização de lactose e a formação e o consumo de etanol, além do perfil eletroforético da β- galactosidase intra e extracelular. Os picos de atividade máxima da enzima foram encontrados no final da fase log e no início da fase de desaceleração nas culturas conduzidas em regime de batelada e no cultivo contínuo na taxa de diluição de 0,09 h^-1. Nessas condições, as concentrações de lactose no meio não se correlacionaram com o máximo de atividade da enzima. Após a queda da atividade máxima, havia ainda lactose no meio e o etanol em concentrações crescentes. Desta forma, a queda na atividade não está relacionada com a exaustão de lactose no meio, nem com o crescimento diáuxico à custa do etanol, embora durante a fase de desaceleração do crescimento tenha sido observada diauxia quando a concentração de lactose era limitante. Outros picos de atividade foram evidenciados antes e após o pico máximo, onde foram obtidos os mesmos resultados. A β-galactosidase das amostras das culturas em batelada e contínua foi analisada em gel de poliacrilamida desnaturante e indicou a inexistência de uma relação direta entre a atividade da enzima e a concentração da proteína, com exceção nos tempos em que a atividade é máxima, quando houve aumento da intensidade da banda protéica no gel. Nas amostras de sobrenadante de ambas as bateladas e da cultura contínua submetidas à análise em gel, não se encontrou β-galactosidase, indicando que o etanol produzido não permeabilizou K. lactis. Cerca de 55 a 69% da lactose em ambos regimes de cultivo, foram convertidos em etanol. E, a variação cíclica da cinética de atividade durante o cultivo em regime de batelada e regime contínuo pode ser explicada pelos eventos de regulação da síntese e da atividade de β-galactosidase. / The yeast Kluyveromyces marxianus var. lactis (K. lactis) was cultivated in ultrafiltered cheese whey (UCW) in batch and continuous culture with the aim to investigate the physiological conditions that lead to the increase and decrease of the activity of β-galactosidase in the beginning of the late log phase of growth. The physiological growth phases were characterized in the batch culture, and it was observed that the initial cell concentration of OD 600 0,1, 0,2 e 0,3 affected the growt h velocity. However, the delimitation of the growth phases is similar. The stationary phase of growth started after 144 hours, which enabled a long late log phase of growth. The increase and the decrease in the β-galactosidase activity were monitored during the cultivation, as well as the use of lactose, the formation and consumption of ethanol as well as the electrophoretical profiles of intra cellular and extra cellular β- galactosidase. The peaks of maximum activity of the enzyme were found in the end of the log phase, and in the beginning of the late log phase in batch culture, and in the continuous culture at the dilution rate of 0,09 h^-1. Under these conditions, the lactose concentrations in the medium did not correlate with the maximum activity of the enzyme. After the maximum activity, there was still lactose in the medium and a rising concentration of ethanol. Therefore, the decrease of activity is not related to the exhaustion of lactose in the medium nor with the diauxic growth due to the ethanol. Albeit, during the late log phase of growth slight diauxic growth was observed when the lactose concentration was limiting. Other peaks of activity were noticed before and after the maximum peak, where the same results were obtained. β- galactosidase of the batch and continuous culture samples was analyzed in denaturing polyacrylamide gel and showed that a direct relationship between the enzyme activity and the protein concentration does not exist, except in the maximum activity times, when there was some increase in intensity in the proteic band of the gel. In the supernatant samples of both batch and continuous culture submitted to gel electrophoresis, β-galactosidase was not found, implying that the ethanol produced did not permeabilize K. lactis. Fifty five to sixty nine percent of the lactose in both cultures was converted to ethanol. And, the cyclical variation in the kinetic of the activity during the cultivation in batch and continuous culture can be explained through the regulation events of the synthesis and the activity.

京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(人間健康科学) / 乙第13562号 / 論人健博第12号 / 新制||人健||8(附属図書館) / (主査)教授 高桑 徹也, 教授 藤井 康友, 教授 長尾 美紀 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Human Health Sciences / Kyoto University / DFAM