Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DoutPWT.pdf: 1538718 bytes, checksum: a2cfebb6aac530f7f09069137eaebc60 (MD5) Previous issue date: 2003-08-22 / Universidade Federal de Minas Gerais / High value food protein hydrolysates can be obtained by sequential hydrolysis of proteins with trypsin, chymotrypsin, carboxypeptidase A (CPA) and Alcalase® (commercial preparation of subtilisin). For the process to be economically feasible, immobilized and stabilized enzymes should be used, and the kinetics of the reactions with this kind of biocatalyst must be known. To contribute to the development of such a process, this work focused on preparing stable CPA and Alcalase® derivatives, and on studying the kinetics of hydrolysis of polypeptides. These polypeptides were produced after the sequential hydrolysis of cheese whey proteins with trypsin and chymotrypsin. Cross-linked agarose beads (6% w/w for CPA, and 10% w/w for Alcalase®) were used as immobilization support, and different methods of activation and immobilization conditions were studied. A highly activated glyoxyl-agarose support (75 and 210 µeqv of aldehyde groups per milliliter of support, respectively for CPA and Alcalase®), 25oC, pH 10.05, and longer contact time (48 hours for CPA and 96 hours for Alcalase®), provided the best derivatives. CPA-glyoxyl agarose-6% and Alcalase®-glyoxyl agarose-10% derivatives were ca. 213- and 515-fold more stable than the soluble enzymes. These stabilized derivatives retained 42% (for CPA-glyoxyl agarose- 6%) and 54% (for Alcalase®-glyoxyl agarose-10%) of the immobilized activity, assessed with small substrates (hippuryl-L-Phe for CPA, and Boc-Ala-ONp for Alcalase®) and large substrates (Phe carboxy-terminal polypeptides for CPA, and casein for Alcalase®). These results showed that all activity losses were caused by the distortion of the immobilized enzyme molecule, due to the enzyme-support multi-interaction. Derivatives prepared using glutaraldehyde-agarose presented spatial hindrances when hydrolysis of macromolecular substrates was taking place. The amino acid analysis of acid hydrolysates of the soluble and immobilized enzymes (for the more stable derivatives) showed that ca. 30 and 40%, for CPA and Alcalase®, of the lysine residues were linked to the support, suggesting that there is intense multi-point interactions between enzyme and support, through covalent linkages. The temperatures for maximum hydrolysis rates, using respectively stabilized CPA and Alcalase® derivatives, were 20oC and 10oC higher than the ones obtained using soluble enzymes. The most stable CPA-glyoxyl derivative could efficiently be used for polypeptides (cheese whey proteins hydrolyzed with trypsin and chymotrypsin) hydrolysis at high temperatures (e.g., 60oC), releasing ca. 2-fold more aromatic amino acids (Tyr, Phe and Trp) than the soluble enzyme, under the same operational conditions. The casein degree of hydrolysis, at 80oC, obtained using the most stable Alcalase®-glyoxyl derivative, was 2-fold higher than the one obtained with the soluble enzyme. Hence, the produced derivatives allow the design of a continuous process for the production of protein hydrolysates, which are composed of small peptides and have a low concentration of aromatic amino acids. This process can use higher temperature, avoiding microbial growth in the reaction medium. The C-terminal residues hydrolysis at 45oC (pH 7.0), catalyzed by CPA-glyoxyl, could be adequately represented by Michaelis-Menten kinetics, with substrate and product inhibition. The kinetic model was expressed in terms of C-terminal peptide bonds that can be hydrolyzed by CPA, regardless of the amino acid released. The concentration of each released amino acid as a function of the time of reaction could be well fitted by empirical models (hyperbolic or exponential decay). Hence, from the kinetics of total hydrolysis, it is possible to estimate the concentration of each amino acid as function of time. The hydrolysis catalyzed by the highly-loaded CPA-glyoxyl agarose-6% derivative was not limited by intra-particle diffusion resistance. The hydrolysis of peptides (long-time batch) at 50oC (pH 9.5), catalyzed by Alcalase®-glyoxyl agarose-10% derivative, could be adequately represented by Michaelis-Menten kinetics with product inhibition, and the kinetic parameters Vmax, KM e KI were correlated against the substrate initial degree of hydrolysis (total degree of hydrolysis obtained by previous action of trypsin and chymotrypsin on cheese whey proteins). Long-time batch hydrolyses, catalyzed by highly-loaded Alcalase-glyoxyl agarose-10% derivative, presented diffusion effects, with effectiveness coefficient, ηI, of ca. 0.5. / Hidrolisados protéicos de alto valor agregado podem ser obtidos através da hidrólise seqüencial de proteínas com tripsina, quimotripsina, carboxipeptidase A (CPA) e Alcalase® (preparação comercial de subtilisina). A viabilidade econômica do processo requer a utilização de enzimas imobilizadas e estabilizadas e o conhecimento da cinética das reações catalisadas com esse tipo de biocatalisador. Visando contribuir para o desenvolvimento de tal processo, os objetivos deste trabalho foram preparar derivados estáveis de CPA e Alcalase® e estudar a cinética da hidrólise de polipeptídios. Esses polipeptídios foram produzidos por hidrólise seqüencial de proteínas do soro de queijo com tripsina e quimotripsina. Utilizandose agarose entrecruzada (6% p/p para CPA e 10% p/p para Alcalase®) como suporte de imobilização, foram estudados diferentes métodos de ativação e condições de imobilização. Suportes glioxil-agarose altamente ativados (75 e 210 µeqv de grupos aldeídos por mililitro de suporte, respectivamente para CPA e Alcalase®) 25oC, pH 10,05 e tempo prolongado de contato (48 horas para CPA e 96 horas para Alcalase®) produziram os melhores derivados. Os derivados CPA-glioxil agarose-6% e Alcalase®-glioxil agarose-10% eram aproximadamente 213 e 515 vezes mais estáveis que as respectivas enzimas na forma solúvel. Esses derivados estabilizados retiveram 42% (para CPA-glioxil agarose-6%) e 54% (para Alcalase®-glioxil agarose-10%) da atividade imobilizada, medidas com substratos de menor massa molecular (hipuril-L-Phe para CPA, e Boc-Ala-ONp para Alcalase®) e substratos de maior massa molecular (polipeptídios com Phe carboxi-terminal para CPA, e caseína para Alcalase®). Esses resultados mostraram que toda a perda de atividade estava associada à distorção da molécula de enzima imobilizada, devido a multi-interação enzima-suporte. Derivados preparados em glutaraldeído-agarose-6% apresentaram impedimentos estéricos na hidrólise de substratos macromoleculares. A análise de aminoácidos de hidrolisados ácidos das enzimas solúveis e imobilizadas (para os derivados mais estáveis) mostrou que aproximadamente 30 e 40%, para CPA e Alcalase®, dos resíduos de lisina ligaram-se no suporte, sugerindo a existência de uma intensa ligação covalente multipontual entre a enzima e o suporte. As temperaturas de máximas taxas de hidrólise, usando respectivamente os derivados estabilizados de CPA e Alcalase®, foram 20oC e 10oC mais elevadas que aquelas obtidas para as respectivas enzimas solúveis. O derivado CPA-glioxil mais estável pôde ser eficientemente utilizado na hidrólise de polipeptídios (proteínas do soro de queijo hidrolisadas com tripsina e quimotripsina) a altas temperaturas (por exemplo, 60oC), liberando duas vezes mais aminoácidos aromáticos (Tyr, Phe e Trp) do que a enzima solúvel, sob as mesmas condições operacionais. O grau de hidrólise de caseína, a 80oC, obtido com o derivado Alcalase®-glioxil mais estável, foi duas vezes maior que aquele obtido com a enzima solúvel. Assim, os derivados produzidos permitem o projeto de um processo contínuo para a produção de hidrolisados protéicos, compostos de pequenos peptídios e com uma baixa concentração de aminoácidos aromáticos. Esse processo pode ser conduzido a alta temperatura, evitando-se assim problemas de contaminação microbiana do meio reacional. A hidrólise de resíduos carboxi-terminais a 45oC (pH 7,0), catalisada pelo derivado CPA-glioxil, pôde ser adequadamente representada por cinética de Michaelis-Menten, com inibição pelo substrato e produto. O modelo cinético foi representado em termos de ligações peptídicas carboxiterminais hidrolisáveis pela CPA, sem considerar-se a natureza do resíduo a ser liberado. A concentração de cada aminoácido liberado em função do tempo de hidrólise pôde ser ajustada por modelos empíricos (hiperbólico e decaimento exponencial). Assim, a partir da cinética de hidrólise total, é possível estimar-se a concentração de cada aminoácido em função do tempo de hidrólise. A hidrólise catalisada pelo derivado CPA-glioxil agarose-6%, com alta carga enzimática imobilizada, não foi limitada pela resistência difusional intrapartícula. A hidrólise de peptídios (bateladas de longa duração) a 50oC (pH 9,5), catalisada pelo derivado Alcalase®-glioxil agarose-10%, pôde ser adequadamente representada por cinética de Michaelis-Menten com inibição pelo produto, e os parâmetros cinéticos Vmax, KM e KI foram correlacionados com o grau de hidrólise inicial do substrato (grau de hidrólise total obtido pela prévia ação de tripsina e quimotripsina sobre as proteínas do soro de queijo). Hidrólises em batelada de longa duração, catalisadas por Alcalase®-glioxil agarose-10% com alta carga enzimática imobilizada, apresentaram efeitos de difusão, com um fator de efetividade, ηI, de aproximadamente 0,5.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2631.pdf: 1610800 bytes, checksum: 9f443d37247fb5fee135a70ec93a8142 (MD5) Previous issue date: 2008-09-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / Immobilization and stabilization of enzymes increases their potential for use in industrial scale. D-hydantoinases (dihidropirimidina amidrohidrolase EC 3.5.2.2) catalyze the hydrolysis of D-hydantoins, generating the corresponding Ncarbamoil- D-amino acid and are used in the production of D-amino acids, including Dphenylglycine and D-p-hydroxyphenylglycine.This work reports studies for immobilization and stabilization of D-hydantoinase from Vigna angularis (E.C. 3.5.2.2.). Different strategies of multipoint covalent attachment in organic supports as chitosan and agarose were used. Different protocols of immobilization were employed, being the adittion of ions during the reduction step with the NaBH4 important to protect enzyme catalytic site. The active and stabilized derivatives were used to catalyze the hydrolysis of D-phenylhydantoin. The temperature and pH enzyme profiles showed maximum enzyme activity at 60ºC and pH 10,0. The subunits of the enzyme present molecular mass aroundt 50kDa. The enzyme immobilized in glyoxyl-agarose in the presence of Zn2+ ions during the reduction step, with immobilization time of 24h, was the best derivative, being 89-fold more stable than the soluble enzyme. The analysis of amino acids showed that a 50% of lysines residue present in the enzymes was covalently linked in glyoxyl-agarose. The enzyme immobilized in epoxy-chitosan-alginate was 20-fold more stable than the soluble enzyme. All the tested immobilization protocols led to 100% of immobilization yield. Soluble enzyme and the best glyoxyl and chitosan enzyme derivatives were used to catalyze the hydrolysis of D- phenylhydantoin , and led to the production of 99% of NCarbamoil- D-Phenylglycine after 3, 9 and 15h of reaction respectively. / A imobilização e estabilização de enzimas aumentam muito o potencial de uso industrial desses catalisadores. D-hidantoinases (dihidropirimidina amidrohidrolase EC 3.5.2.2) são enzimas que catalisam a hidrólise de hidantoínas, com abertura do anel, para o correspondente N-carbamoil-D-aminoácido e são usadas na produção de Daminoácidos, incluindo D-fenilglicina e D-p-hidroxifenilglicina. Este trabalho relata os estudos desenvolvidos para a imobilização e estabilização de D-hidantoinase de Vigna angularis (3.5.2.2.). Foram abordadas diferentes estratégias de imobilização multipontual em suportes orgânicos como quitosana e agarose. Diferentes protocolos de imobilização foram empregados, sendo adição de íons durante a redução com NaBH4 importante para proteção do centro catalítico da enzima. Os derivados ativos e estabilizados foram empregados na reação de hidrólise da fenilhidantoína. O estudo de temperatura e pH de máxima atividade da enzima foi 60°C e pH 10,0. As subunidades da enzima apresentam peso molecular, com valor próximo a 50kDa. A enzima imobilizada em glioxil-agarose na presença dos íons Zn2+ durante a etapa de redução, com tempo de imobilização de 24 h foi o derivado mais estável sendo 89 vezes mais estável que a enzima solúvel. A análise de aminoácidos mostrou que aproximadamente 50% dos resíduos de lisina presentes na enzima foram covalentemente ligados no derivado de glioxil-agarose. A enzima imobilizada em quitosana-alginato-epoxilado foi 20 vezes mais estável que a enzima solúvel. Todos os procedimentos de imobilização testados levaram a 100% de rendimento de imobilização. Enzima solúvel e os melhores derivados obtidos por imobilização em glioxil e quitosana foram usados na catálise da hidrólise de fenilhidantoína, produzindo 99% de N-Carbamoil-D-fenilglicina nos tempos de 3, 9 e 15 h, respectivamente.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3875.pdf: 1789055 bytes, checksum: a2495b6571816afdda74f70d8d9b300d (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / B-glucosidase (BG) is an important enzyme for several biotechnological applications. This enzyme plays an important role in hydrolyses of lignocellulosic biomass in order to produce second generation ethanol (2G ethanol). The enzimatic hydrolysis of cellulose requires the sinergystic action of endoglucanases, exoglucanases and β-glucosidases. Endo e exoglucanases are strongly inhibited by cellobiose and its accumulation into reaction medium decreases the hydrolysis rate. The supplementation of the reaction medium with BG can reduce the inhibition effect, leading to higher conversions of cellulose to glucose. In this work, BG was immobilized on different solid supports in order to obtain an active and stable derivative to be used in hydrolyses of sugarcane bagasse. BG was immobilized on glyoxyl-agarose (GA) and polyacrylic matrix (MP) at 25oC and pH 9.0 and 4.8, respectively. To improve the immobilization yield on glyoxyl-agarose at pH 9.0, a chemical amination of the enzyme surface was required. However, BG was inactivated during the immobilization reaction due to alkaline conditions that are required to immobilize enzymes on glyoxylagarose support. Nevertheless, the presence of a competitive inhibitor (glucose) during immobilization of BG preserved about 70% of the initial activity. However, the reduction step with sodium borohydride (end point of the reaction) drastically reduced the derivative activity even in the presence of glucose. The BG immobilization in presence of competitive inhibitor allowed the preparation of a derivative approximately 4 times more active than one prepared in inhibitor absence. On the other hand, the best derivative was prepared adsorbing the enzyme on polyacrylic resin covered with carboxylic groups. After four hours of reaction, the immobilization yield and the recovered activity were ca. 71% and 97%, respectively. Pretreated sugarcane bagasse (10% w/v, dry basis) was hydrolyzed at 50oC, pH 4.8 (50 mM sodium citrate buffer), for 24 h, using soluble cellulase (Acellerase 1500) in the enzyme/substrate ratio of 20 FPU/gcellulose. Hydrolyses under same conditions were performed by supplementing the reaction medium with BG immobilized on glyoxyl-agarose (BG-GA) or BG immobilized on polyacrylic resin (GA-MP) in the enzyme/substrate ratio of 120 U/gcellulose. Five batches were performed under - xi - conditions described above by reusing the immobilized BG and non-converted cellulose after thoroughly washing with distilled water. The supplementation of the reaction medium with immobilized BG enhanced the cellulose conversions in all batches. This behavior is due to the fact that BG removes cellobiose from the reaction medium, avoiding its accumulation, which could inhibit the endoglucanases and exoglucanases. However, a decrease of the cellulose conversion after the second batch was observed (cellulose conversion decreased from ca. 50% to 15-25%). Anyway, this work shows that supplementation of the commercial enzymatic complexes with immobilized BG is advantagous. However, the stabilization of the immobilized BG is still required. / B-Glicosidase (BG) é uma enzima de grande importância em inúmeras aplicações biotecnológicas. Essa enzima desempenha um papel muito importante na hidrólise enzimática da biomassa lignocelulósica visando a produção de etanol de segunda geração (etanol 2G). A hidrólise enzimática da celulose requer a ação sinergística de endoglicanases, exoglicanases e β-glicosidases. Endo e exoglicanases são fortemente inibidas por celobiose e seu acúmulo no meio reacional reduz a taxa de hidrólise. A suplementação do meio reacional com BG pode reduzir o efeito inibitório, levando a conversões maiores de celulose a glicose. Neste trabalho BG foi imobilizada em diferentes suportes sólidos visando a obtenção de um derivado ativo e estável para uso em reações de hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar. BG foi imobilizada em glioxil-agarose (GA) e resina poliacrílica catiônica (MP) a 25ºC e pH 9,0 e 4,8, respectivamente. Para melhorar o rendimento de imobilização de BG em glioxilagarose a pH 9,0 foi necessária uma aminação química da superfície da enzima. Entretanto, BG era inativada durante a imobilização, devido às condições alcalinas requeridas para imobilização de enzimas em glioxilagarose. Contudo, a presença de um inibidor competitivo (glicose) durante a imobilização de BG preservou aproximadamente 70% da atividade inicial. Mesmo na presença de glicose, a etapa de redução com borohidreto de sódio (finalização da reação de imobilização) reduziu drasticamente a atividade da enzima imobilizada. A imobilização de BG na presença de inibidor competitivo permitiu a preparação de um derivado cerca de 4 vezes mais ativo que aquele preparado na ausência do inibidor. Por outro lado, o melhor derivado foi preparado adsorvendo BG em resina poliacrílica funcionalizada com grupos carboxílicos. Após quatro horas de reação, o rendimento de imobilização e a recuperação de atividade foram aproximadamente 71% e 97%, respectivamente. Bagaço de cana pré-tratado (10% m/v, base seca) foi hidrolisado a 50°C, pH 4,8 (tampão citrato de sódio 50 mM), por 24h, utilizando celulase solúvel (Acellerase 1500) na relação enzima/substrato de 20 FPU/gcelulose. Hidrólises nas mesmas condições foram realizadas - ix - suplementando o meio reacional com BG imobilizada em glioxil-agarose (BGGA) ou BG imobilizada em matriz poliacrílica (BG-MP) na relação enzima/substrato de 120 U/gcelulose. Cinco bateladas foram realizadas nas condições descritas acima, reutilizando a BG imobilizada e a celulose não convertida, após lavagem abundante com água destilada. A suplementação do meio reacional com BG imobilizada contribuiu para a obtenção de maiores conversões de celulose em todas as bateladas, devido ao fato da BG remover celobiose do meio reacional, evitando seu acúmulo, o qual poderia inibir a ação das endoglucanases e exoglucanases. Entretanto, observou-se uma redução da conversão de celulose após a segunda batelada (de 50% para 15-25%). De qualquer forma, esse trabalho mostra que a suplementação dos complexos enzimáticos comerciais com BG imobilizada é vantajosa, entretanto, a estabilidade da BG imobilizada ainda precisa ser melhorada.