Orientador: Yoon Kil Chang / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-08T15:39:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_CamilaBatistada_M.pdf: 8457423 bytes, checksum: 91ab09cb0265813f8e1d7894f28eee5a (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A demanda por produtos integrais está crescendo a cada dia no Brasil e no mundo. Isso se deve principalmente ao fato destes alimentos estarem relacionados com a saúde. A relação entre dieta e incidência de doenças crônicodegenerativas tem levado os consumidores a se preocuparem mais com a alimentação. Porém, apesar da grande procura por esses alimentos funcionais, a população prefere aqueles que mantenham as características sensoriais dos produtos originais. O objetivo deste trabalho foi estudar a influência da adição de xilanase, glicose oxidase e ácido ascórbico na qualidade do pão de forma, utilizando farinha de trigo de grão inteiro. Nesta farinha foram realizadas análises de composição centesimal, granulometria, teor e índice de glúten, farinografia, extensografia, viscosidade de pasta e falling number. Foi elaborado um delineamento composto central rotacional com três variáveis independentes: xilanase (x1), glicose oxidase (x2) e ácido ascórbico (x3). O delineamento incluiu dezessete ensaios: oito pontos fatoriais, seis pontos axiais e três repetições do ponto central. Os resultados foram analisados por Metodologia de Superfície de Resposta. As variáveis dependentes foram as propriedades reológicas da farinha e as características do pão. Os pães de forma foram analisados quanto ao volume específico, atividade de água, umidade, textura e cor do miolo. Duas formulações, selecionadas na faixa ótima encontrada no delineamento e a formulação padrão foram submetidas a testes de aceitação e de intenção de compra por 37 provadores, que avaliaram os atributos aparência, cor, aroma, sabor e textura. Os resultados mostraram que a adição de xilanase, glicose oxidase e ácido ascórbico interferiu nas características do pão. Quanto ao volume dos pães, houve diferença significativa entre o pão padrão e apenas duas formulações do delineamento. Em relação à umidade dos pães, verificou-se que maiores valores dessa resposta foram encontrados nos pães onde menores níveis de xilanase e maiores níveis de glicose oxidase e ácido ascórbico foram adicionados. O teor de umidade foi reduzido ao longo do período de armazenamento, tanto para o pão padrão, quanto para os pães dos ensaios. Verificou-se que a textura dos pães de forma foi afetada pela adição das enzimas e do ácido ascórbico, ao longo da vida de prateleira. Menores valores de firmeza dos miolos dos pães de forma foram obtidos quando formulações com maiores concentrações de ácido ascórbico e glicose oxidase e níveis intermediários de xilanase foram utilizadas. Em relação à análise sensorial, os consumidores apresentaram boa aceitação e intenção de compra para os pães de forma. Todas as formulações obtiveram médias localizadas entre os termos ¿gostei moderadamente¿ e ¿gostei muito¿ e a maioria dos provadores indicou que provavelmente comprariam os pães. Os resultados mostram que a farinha de trigo de grão inteiro, adicionada de xilanase, glicose oxidase e ácido ascórbico, possui grande potencial na elaboração de pães de forma com alto valor nutritivo e funcional / Abstract: The demand for whole products is increasing day by day both in Brazil and in the world, mainly because such foods are related to health. The relationship between diet and the incidence of chronic-degenerative diseases has led consumers to think more about eating healthy foods. However, despite the great search for such functional foods, the consumers prefer those that maintain the sensory characteristics of the original ones. The objective of this research was to study the effect of adding xylanase, glucose oxidase and ascorbic acid on the quality of loaf bread made using whole-wheat flour. The proximate composition, granule size, gluten content and index, the farinographic and extensographic parameters, pasting viscosity and falling number of the whole-wheat flour were determined. A central composite rotational design was elaborated, with three independent variables: xylanase (x1), glucose oxidase (x2) and ascorbic acid (x3), resulting in seventeen assays: eight factorial points, six axial points and three repetitions at the central point. The results were analyzed using Response Surface Methodology, where the dependent variables were the rheological properties of the flour and the bread quality characteristics. The loaf features evaluated were: specific volume, water activity, moisture content, texture and crumb color. Two formulas, selected in the range of the design designated as excellent and the standard bread formula, were submitted to sensory acceptance and buying intention tests with 37 consumers, who evaluated the attributes of appearance, color, aroma, flavor and texture. The results showed that the addition of xylanase, glucose oxidase and ascorbic acid changed the bread characteristics. With respect to loaf volume, a statistical difference was only found between the standard loaf and two of the formulations, and for moisture content, the highest values were found in the bread with lower concentrations of xylanase and larger amounts of glucose oxidase and ascorbic acid. The moisture content decreased during the shelf life for both the standard bread and all the assay samples. The addition of the enzymes and ascorbic acid was shown to affect the texture of the bread during the shelf life. Lower values for breadcrumb firmness were obtained for the formulas with higher concentrations of ascorbic acid and glucose oxidase and intermediate levels of xylanase, and in the sensorial analysis, good scores were obtained for consumer acceptance and buying intention. All the formulas obtained average scores located between the terms " liked moderately" and "liked very much" and the majority of the consumers indicated they would probably buy the bread. The results showed that the whole-wheat flour used, with the addition of xylanase, glucose oxidase and ascorbic acid, presented considerable potential for the elaboration of loaf bread with high nutritional and functional value / Mestrado / Mestre em Tecnologia de Alimentos

A sacarose é uma matéria-prima, cuja produção é considerada ecologicamente correta, sendo o Brasil seu maior produtor e exportador. O dissacarídeo pode ser convertido, através de um processo multienzimático, em substâncias de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, as quais são importadas pelo Brasil, tendo amplo uso nos setores químico, farmacêutico e alimentício. A conversão foi feita através da ação da invertase, glicose oxidase e catalase, utilizando os reatores descontínuo e contínuo. No procedimento utilizando reator descontínuo, o tempo de residência é igual para reagentes, produtos e catalisador. Neste caso as enzimas foram adicionadas seqüencialmente, em um primeiro momento, e na segunda etapa foram adicionadas simultaneamente. Os parâmetros de partida, a saber, concentração inicial de sacarose, pH, temperatura e atividades enzimáticas, foram testados em diferentes quantidades no intuito de encontrar a mistura inicial mais eficiente na conversão do substrato. No procedimento contínuo, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE®, que permite integrar em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida, neste reator, foram fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is produced in large amount in Brazil, being a worldwide commercialized commodity. However, it can be converted into more valuable products such as fructose and gluconic acid, both used largely in the chemical, pharmaceutical and food industry. Conversion occurred through the action of invertase, glucose oxidase and catalase, using the discontinuous and continuous reactors. In the batch reactor, the residence time is equal to reactants, products and catalyst. In this case, enzymes were added sequentially, at first, and in the second step were added simultaneously. Boot parameters, initial sucrose concentration, pH, temperature and enzyme activities were tested in different amounts in order to find the most efficient initial mixture to the conversion of the substrate. In continuous process, we used the membrane reactor, MILLIPORE®, which allows for one-step catalytic conversion, the separation / concentration of the product and recovery of the biocatalyst. The temperature was controlled by circulation of water, coupled with a peristaltic pump (to control the feed flow of the substrate) and a pressurization system. The reactor was operated with ultrafiltration membrane (molecular cutoff = 100 kDa) and was kept under constant agitation. The initial parameters in this reactor were set according to the values optimized in the batch reactor with the simultaneous use of enzymes.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (µPADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 ± 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 ± 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2’-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos µPADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (µPADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 ± 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 ± 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in µPADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

O amido resistente de milho (ARM) não é digerido em humanos fornecendo benefícios para a saúde tais como redução do colesterol, do índice glicêmico e fermentação no cólon. Porém, a substituição parcial de farinha de trigo (FT) por ARM em massa de pão resulta na diluição do glúten prejudicando a qualidade do produto. Massa de pão foi produzida com 12,5 g/100g de ARM e os efeitos das enzimas glicose-oxidase (Gox), tranglutaminase (TG) e xilanase (HE) na massa foram estudados. Massa produzida sem ARM e sem enzimas foi considerada padrão e massa produzida com ARM e sem enzimas foi considerada controle para comparação. Uma metodologia foi desenvolvida para medir o torque durante o amassamento em grande escala, utilizando um reômetro dinâmico adaptado. As propriedades reológicas foram avaliadas nos testes de medidas descritivas de textura, adesividade Chen-Hoseney, extensão uniaxial Kieffer, extensão biaxial e testes oscilatórios em reômetro. Pão produzido de acordo com as formulações padrão, controle e ótima foi avaliado com relação ao volume específico (VEP), firmeza do miolo, cor e análise sensorial para o atributo preferência. As três enzimas testadas influenciaram positivamente o torque máximo atingido durante o amassamento que variou entre (8,36 e 9,38) N m. Gox e TG apresentaram efeito positivo na altura máxima desenvolvida pela massa medida em reofermentógrafo enquanto que o efeito da HE foi negativo. Uma formulação com ARM e enzimas apresentou desempenho de panificação similar a massa padrão (altura máxima ajustada igual a (45,5 ± 3,9) mm), correspondente a adição de (4, 2,5 e 0,5) mg/100g de TG, Gox e HE respectivamente (ótima). A formulação ótima apresentou adesividade, trabalho de adesão, coesividade, dureza, resiliência, resistência à extensão e extensibilidade similares a massa padrão e diferentes da massa controle. As enzimas aumentaram o índice de strain hardening reduzido pela adição de ARM. Para o pão de forma, o VEP variou entre (3,16 e 3,64) cm3/g (diferença não significativa) e o pão produzido com a formulação ótima foi o mais escolhido como preferido. Durante o armazenamento por até 7 dias, o ARM diminuiu a taxa de envelhecimento do pão enquanto que as enzimas apresentaram efeito oposto. Em geral, a substituição parcial de FT por ARM reduziu a elasticidade da massa diminuindo a qualidade do pão enquanto que as enzimas minimizaram esse efeito. / Resistant starch (RS) is not digested by humans providing benefits for health such as reduction of blood LDL cholesterol levels, reduction of post-prandial blood glucose and fermentation in the colon. However, partial replacement of wheat flour (WF) with RS prejudices bread quality due to gluten dilution. Dough was formulated with 12.5 g/100g of RS and the effects of the enzymes glucose-oxidase (Gox), tranglutaminase (TG) and xylanase (HE) were studied. Dough produced without RS or enzymes was considered as regular and dough produced with RS and without enzymes was considered as control for comparison. A methodology was developed to measure torque during dough mixing in large scale using a dynamic rheometer. With respect to dough rheology, tests performed included texture profile analysis, Chen-Hoseney stickiness, Kieffer uniaxial extension, biaxial extension and oscillatory tests in rheometer. Bread was produced from regular, control and optimum formulations and the quality was assessed concerning specific volume, firmness, color and preference by sensory panel. The three enzymes tested influenced positively the maximum torque during mixing which varied between (8.36 and 9.38) N m. Gox and TG showed positive effects on the maximum height developed by dough measured in rheofermentometer while HE showed a negative one. A formulation with RS and baking performance similar to regular dough was found (adjusted maximum height equal to (45.5 ± 3.9) mm), corresponding to (4, 2.5 and 0.5) mg/100g of TG, Gox and HE respectively (optimum). The optimum formulation showed stickiness, work of adhesion, cohesiveness, hardness, resilience, resistance to extension and extensibility, similar to the regular dough and statistically different from control dough. Strain hardening index was reduced by the addition of RS and increased by the addition of enzymes. Regarding bread tests, specific volume of bread varied between (3.16 e 3.64) cm3/g (not significant difference) and the bread produced with theoptimum dough was the most preferred by the sensory panel. During 7 days of storage, RS reduced the aging rate while enzymes had the opposite effect. In general, WF replacement by RS reduced dough elasticity affecting the bread quality while enzymes helped minimizing this effect.

Os Hidróxidos Duplos Lamelares (HDL) constituem uma classe de materiais que apresentam estrutura lamelar, consistindo de camadas positivamente carregadas de um hidróxido duplo, intercaladas com ânions hidratados no domínio interlamelar. Estes materiais têm recebido bastante atenção nos últimos tempos, devido ao baixo custo e relativa simplicidade de preparação, a possibilidade de combinação de uma variedade de cátions e ânions, aliados às propriedades que os HDL podem apresentar como: propriedades ácidas e básicas, \"efeito memória\", elevada área superficial, etc. Os HDL também podem ser utilizados em combinação com outros materiais, como por exemplo, óxido de grafeno, formando compósitos, com a finalidade melhorar as propriedades destes materiais. Podem ainda serem utilizados para a preparação de outros compósitos e/ou réplicas de carbono, por tratamento térmico de um HDL intercalado com um monômero, por exemplo, 4-vinil benzeno sulfonato (VBS), que pode ser polimerizado \"in situ\" e posteriormente carbonizado produzindo a réplica de carbono. A utilização dos materiais descritos anteriormente como suporte para imobilização de enzimas pode proporcionar uma plataforma alternativa para construção de dispositivos biossensores. O objetivo geral do trabalho foi a preparação e caracterização de materiais como HDL, Compósitos e/ou Réplicas de Carbono derivadas de HDL ou compósitos de HDL/ óxido de grafeno, como suporte da enzima Glicose Oxidase, estudando suas propriedades eletroquímicas, visando as potenciais aplicações destes materiais como biossensores. Para isto, foram preparados e caracterizados HDL de Mg-Al e Zn-Al intercalados com o ânion carbonato, pelo método de coprecipitação a pH variável; compósitos e/ou réplicas de carbono derivadas de um HDL precursor de Mg-Al-VBS, preparados, por coprecipitação a pH constante e compósitos de Mg-Al/óxido de grafeno que também foram preparados por coprecipitação a pH constante. Estes materiais foram utilizados na imobilização da enzima Glicose Oxidase (GOx), em eletrodos modificados e foi realizado o estudo eletroquímico dos mesmos e de suas potenciais aplicações. Foi possível observar que os HDL de Mg-Al-CO3, Zn-Al-CO3, Mg-Al-VBS e o compósito Mg-Al/óxido de grafeno exibiram boa cristalinidade, estabilidade térmica, e outras características como porosidade e superfícies positivamente carregadas, viabilizando a xiii utilização dos mesmos para a imobilização e estudo eletroquímico da enzima Glicose Oxidase. O estudo eletroquímico dos eletrodos modificados com estes materiais e a enzima Glicose Oxidase mostrou que os mesmos apresentam boa resposta catalítica frente ao substrato glicose e a importância destes materiais na atividade desta enzima. Os eletrodos modificados apresentaram boa sensibilidade, estabilidade à longo prazo e reprodutibilidade do método, podendo estes serem aplicados para a preparação de biossensores. / Layered Double Hydroxides (LDH) constitute a class of materials with a layered structure consisting of positively charged layers of a double hydroxide and hydrated anions intercalated in the interlayer domain. These materials have received much attention lately because they offer many advantages: they display acidic and basic properties, \"memory effect\", and high surface area; are inexpensive and easy to prepare; and can combine with a variety of cations and anions. Combination of LDH with materials like graphene oxide affords composites with improved properties as compared to the starting organic component. Heat treatment of LDH intercalated with a monomer such as 4-vinyl-benzene sulfonate (VBS), followed by \"in situ\" polymerization and carbonization, produces composites and/or carbon replica. The materials described above could be applied as support to immobilize enzymes and may provide an alternative platform for biosensor devices. In this study, we aimed to prepare and characterize LDH, composites and/or carbon replica derived from LDH, and LDH/graphene oxide composites and support glucose oxidase enzyme (GOx) on these matrixes. We investigated the electrochemical properties of the resulting materials and evaluated their potential application as biosensors. More specifically, we prepared and characterized Mg-Al and Zn-Al LDH systems intercalated with carbonate ion by the coprecipitation method; composites and/or carbon replica derived from a precursor LDH Mg-Al-VBS by coprecipitation at constant pH; and Mg-Al/graphene composites by coprecipitation at constant pH. We used these materials to immobilize GOx on modified electrodes and assessed the electrochemical activity and potential application of the immobilized enzyme as biosensor. Mg-Al-CO3, Zn-Al-CO3, Mg-Al-VBS LDH and Mg-Al/graphene oxide composite were crystalline, thermally stable, and porous and exhibited positively charged surface, which favored immobilization and electrochemical investigation of the GOx enzyme. The modified electrodes displayed good catalytic response to glucose, as substrate, and improved the activity of the enzyme as compared to GOx alone. Additionally, the modified electrodes were sensitive, stable, and reproducible, paving the way for their use in the design of biosensors.

Made available in DSpace on 2017-07-20T12:40:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cliciane Guadalupe de Jesus.pdf: 1994532 bytes, checksum: 0f732ce8dacf9081816c07b36ec9e75d (MD5) Previous issue date: 2013-06-21 / In this thesis, it is described the preparation, characterization and application of LbL films based on the 3- n - propylpyridinium silsesquioxane polymer (SiPy+Cl-) and copper (II) tetrasulfophthalocyanine (CuTsPc), denoted as (SiPy+Cl-/CuTsPc)n, for construction of sensors and biosensors. These films (SiPy+Cl-/CuTsPc)n, were applied as a sensor for promethazine hydrochloride (PMZ) and hydrogen peroxide (H2O2). In addition, taking advantage of the property to the film in electrocatalyzing the reduction of H2O2, an enzymatic amperometric biosensor was constructed by the immobilization of the glucose oxidase enzyme (GOx) on the film for detection of glucose, based on the detection of H2O2 produced in the enzymatic reaction. The UV-Vis spectroscopic technique showed that the adsorption of phthalocyanine occurred linearly indicating that the approximately the same amount of the species is immobilized at each bilayer. The interaction between the sulfonic group and the pyridinium ring is responsible for the support of the films due to the shift of the vibration associated with sulfonic groups. The film (SiPy+Cl-/CuTsPc)5 was highly electrocatalytic and sensitive determination of PMZ. The oxidation process of PMZ molecule presented two peaks at 0.48 and 0.79 V. After optimization of the square wave voltammetry parameters (f = 100 s-1, a = 40 mV and ΔEs = 2 mV), the peak at 0.79 V was used for quantification. Accordingly, the modified electrode obtained a linear response of 3.98 x 10-7 to 3.85 x 10-6 mol L-1 with limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) equal to 8.71 x 10-9 mol L-1 (2.79 g L-1) and 9.31 x 10-8 mol L-1 (9.31 g L-1), respectively. The recovery in pharmaceutical samples showed high stability, specificity and accuracy of the method in complex samples without any pre-treatment. The film (SiPy+Cl-/CuTsPc)2 showed excellent electrocatalytic activity for the reduction of H2O2 with a wide linear range (4.97 x 10-6 a 4.76 x 10-5 mol L-1) and low detection limit (0.33 x 10-6 mol L-1). This electrode was modified with the glucose oxidase enzyme (GOx) and coated with Nafion® (Nf) film, which was used to prevent leaching of GOx. The Fourier transform infrared, fluorescence and circular dichroism spectroscopics, showed that the GOx enzyme retains its native secondary structure when immobilized on the LbL film. The resulting biosensor (SiPy+Cl-/CuTsPc)2(SiPy+Cl-/GOx/Nf) exhibited a current response which varied linearly with the concentration of glucose in the range of 1-10 mmol L-1, with LOD = 0.17 mmol L-1, sensitivity of 1.397 μA x 10-7/mmol L-1 and a rapid response time, less than 5 seconds. The Michaelis-Menten constant apparent ( appmK ) was 10 mmol L-1. Furthermore, the biosensor also showed good reproducibility, excellent stability and a long life, without loss of enzymatic activity by a one-week period and remained active for more than three weeks. The use of the polymer Nf decreased the effect of interferents on the response of the biosensor. / Esta tese descreve a preparação, a caracterização e a aplicação de filmes automontados entre o polímero cloreto de 3- n -propilpiridínio silsesquioxano (SiPy+Cl-) e a ftalocianina tetrassulfonada de cobre (II) (CuTsPc), designados como (SiPy+Cl-/CuTsPc)n, para a construção de sensores e biossensores. Tais filmes, (SiPy+Cl-/CuTsPc)n, se mostraram promissores como sensor para detecção de cloridrato de prometazina (PMZ) e peróxido de hidrogênio (H2O2). Adicionalmente, tirando-se proveito da propriedade do filme em eletrocatalisar a redução do H2O2, construiu-se um biossensor enzimático amperométrico, a partir da imobilização da enzima glicose oxidase (GOx) sobre o filme, para a detecção de glicose, baseado na detecção do H2O2 produzido na reação enzimática. A técnica de espectroscopia de UV-Vis revelou que a adsorção de ftalocianina ocorre de maneira linear indicando que a cada bicamada depositada aproximadamente a mesma quantidade de material é imobilizado. A interação entre os grupos sulfônicos e o anel piridínio é a responsável pela sustentação dos filmes, devido ao deslocamento da banda associada à vibração dos grupos sulfônicos. O filme (SiPy+Cl-/CuTsPc)5 mostrou propriedades eletrocatalíticas na determinação de PMZ. Este apresentou dois processos de oxidação em 0,48 e 0,79 V. Após a otimização dos parâmetros da voltametria de onda quadrada (f = 100 s-1, a = 40 mV e ΔEs = 2 mV), o pico a 0,79 V foi utilizado para sua quantificação. Nestas condições, o eletrodo modificado obteve uma resposta linear de 3,98 x10-7 a 3,85 x 10-6 mol L-1 com limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) iguais a 8,71 x 10-9 mol L-1 (2,79 μg L-1) e 9,31 x 10-8 mol L-1 (9,31 μg L-1), respectivamente. A recuperação em amostras farmacêuticas revelou alta estabilidade, especificidade e precisão do método, sem qualquer pré-tratamento. O filme (SiPy+Cl-/CuTsPc)2 demonstrou excelente atividade eletrocatalítica para redução de H2O2 com uma ampla resposta linear (4,97 x 10-6 a 4,76 x 10-5 mol L-1) e baixo limite de detecção (0,33 x 10-6 mol L-1). Este eletrodo foi modificado com a enzima glicose oxidase (GOx) e recoberto com filme de Nafion® (Nf), que foi usado para prevenir o lixiviamento da GOx. As técnicas espectroscópicas de infravermelho, fluorescência e dicroísmo circular mostraram que a enzima GOx mantém a sua estrutura nativa secundária quando imobilizado sobre o filme LbL. O biossensor resultante (SiPy+Cl-/CuTsPc)2(SiPy+Cl-/GOx/Nf) exibiu uma resposta de corrente que variou linearmente com a concentração de glicose na faixa de 1 a 10 mmol L-1, com LD = 0,17 mmol L-1, sensibilidade de 1,397 x 10-7 μA/mmol L-1 e um rápido tempo de resposta, inferior a 5 s. A constante de Michaelis-Menten aparente ( appmK ) foi de 10 mmol L-1. Além disso, o biossensor também apresentou boa reprodutibilidade, excelente estabilidade e longo tempo de vida, sem diminuição da atividade enzimática por um período de uma semana e permaneceu ativo por mais de três semanas. A utilização do polímero Nf possibilitou a diminuição do efeito de interferentes na resposta do biossensor. Palavras chave: Filmes LbL, polieletrólito Silsesquioxano, Biossensor Amperométrico, Glicose Oxidase.

A sacarose é uma matéria-prima, cuja produção é considerada ecologicamente correta, sendo o Brasil seu maior produtor e exportador. O dissacarídeo pode ser convertido, através de um processo multienzimático, em substâncias de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, as quais são importadas pelo Brasil, tendo amplo uso nos setores químico, farmacêutico e alimentício. A conversão foi feita através da ação da invertase, glicose oxidase e catalase, utilizando os reatores descontínuo e contínuo. No procedimento utilizando reator descontínuo, o tempo de residência é igual para reagentes, produtos e catalisador. Neste caso as enzimas foram adicionadas seqüencialmente, em um primeiro momento, e na segunda etapa foram adicionadas simultaneamente. Os parâmetros de partida, a saber, concentração inicial de sacarose, pH, temperatura e atividades enzimáticas, foram testados em diferentes quantidades no intuito de encontrar a mistura inicial mais eficiente na conversão do substrato. No procedimento contínuo, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE®, que permite integrar em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida, neste reator, foram fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is produced in large amount in Brazil, being a worldwide commercialized commodity. However, it can be converted into more valuable products such as fructose and gluconic acid, both used largely in the chemical, pharmaceutical and food industry. Conversion occurred through the action of invertase, glucose oxidase and catalase, using the discontinuous and continuous reactors. In the batch reactor, the residence time is equal to reactants, products and catalyst. In this case, enzymes were added sequentially, at first, and in the second step were added simultaneously. Boot parameters, initial sucrose concentration, pH, temperature and enzyme activities were tested in different amounts in order to find the most efficient initial mixture to the conversion of the substrate. In continuous process, we used the membrane reactor, MILLIPORE®, which allows for one-step catalytic conversion, the separation / concentration of the product and recovery of the biocatalyst. The temperature was controlled by circulation of water, coupled with a peristaltic pump (to control the feed flow of the substrate) and a pressurization system. The reactor was operated with ultrafiltration membrane (molecular cutoff = 100 kDa) and was kept under constant agitation. The initial parameters in this reactor were set according to the values optimized in the batch reactor with the simultaneous use of enzymes.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-07-07T18:52:22Z No. of bitstreams: 1 CleidivanMacena.pdf: 2189360 bytes, checksum: 599a50d965fad9ff9559783fe4574feb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-07T18:52:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CleidivanMacena.pdf: 2189360 bytes, checksum: 599a50d965fad9ff9559783fe4574feb (MD5) Previous issue date: 2017-02-03 / Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA) / The present work demonstrated the potential of Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) in the understanding of enzymatic systems using the enzymes glucose oxidase (GOx) and the peroxidase of strong root (HRP) as recognition model. In addition, it evaluated different platforms, such as: Graphene (Gr) and Carbon Nanotubes (CNTs) in the response of enzymatic systems through approximation curves and images. In this sense, the reactivity of the GOx and HRP enzymes was evaluated in the generator / collector mode on an insulating platform. In addition, the HRP was studied comparatively on graphene platform Gr, CNTs and on conductive surface. The use of the SECM technique in the investigation of these systems showed its applicability in the investigation of reactions catalyzed by enzymes and also showed that CNTs were the best platform for immobilization of HRP. In addition, it showed the application of SECM in enzymatic systems for the selective determination of compounds isomers: catechol and hydroquinone. / O presente trabalho demostrou a potencialidade da Microscopia Eletroquímica de Varredura (Scanning Electrochemical Microscopy - SECM) no entendimento de sistemas enzimáticos usando as enzimas glicose oxidase (GOx) e a peroxidase de raiz forte (HRP) como modelo de reconhecimento. Ademais, avaliou diferentes plataformas, como: Grafeno (Gr) e Nanotubos de Carbono (CNTs) na resposta de sistemas enzimáticos através de curvas de aproximação e imagens. Neste sentido, a reatividade das enzimas GOx e HRP foi avaliada no modo gerador/coletor sobre plataforma isolante. Adicionalmente, a HRP foi estudada comparativamente sobre plataforma de grafeno Gr, CNTs e sobre superfície condutora. O uso da técnica SECM na investigação desses sistemas mostrou sua aplicabilidade na investigação de reações catalisadas por enzimas e mostrou ainda que os CNTs fora a melhor plataforma para imobilização da HRP. Além disso, mostrou a aplicação da SECM em sistemas enzimáticos para a determinação seletiva de compostos isômeros: catecol e hidroquinona.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (µPADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 ± 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 ± 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2’-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos µPADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (µPADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 ± 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 ± 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in µPADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

A eletroquímica direta de enzimas redox depende da distância entre os sítios redox da proteína e a superfície do eletrodo e também da eficiência na imobilização dessas enzimas na superfície eletródica. Dessa forma, a obtenção de enzimas mais hidrofóbicas possibilita a melhora na interação entre elas e a superfície de eletrodos sólidos, como os de carbono. Neste estudo, foi desenvolvida uma rota para a obtenção da glicose oxidase oligomerizada (Ol-GOx) com o objetivo de melhorar a interação entre a enzima e a superfície de fibras de carbono, uma vez que enzimas oligomerizadas contêm suas porções hidrofóbicas expostas.Para tanto, diferentes ácidos de Brønsted foram utilizados, sendo que a enzima obtida a partir da reação com o ácido trifluorometanosulfônico (TFMS) foi a que se manteve ativa cataliticamente. A Ol-GOx se mostrou um biocatalisador promissor devido a sua hidrofobicidade e seu tamanho, os quais permitiram uma imobilização mais eficiente em superfícies de carbono. Após a caracterização estrutural, concluiu-se que a Ol-GOx é formada por um oligômero composto por 10 unidades de GOx nativa com raio hidrodinâmico de aproximadamente 96 nm. Por voltametria cíclica estudou-se a transferência direta de elétrons (TDE) entre o cofator dinucleotídeo de flavina e adenina (FAD) e a superfície das fibras de carbono, sendo observado um aumento de 7 vezes nas correntes faradaicas em relação ao obtido para a GOx nativa. Além disso, as propriedades bioeletrocatalíticas foram melhoradas em 30% quando analisada a oxidação da glicose. Concluiu-se ainda que quanto maior a quantidade de folhas-β presente na estrutura proteica, maior a TDE observada entre a enzima e a superfície das fibras de carbono. / The direct electrochemistry of redox enzymes is dependent on the distance between the active centers of the protein and the electrode surface, and also on the efficiency in the immobilization of these enzymes on the electrodic surface. Thus, the synthesis of more hydrophobic enzymes could lead to better interaction between the redox enzymes and the solid electrode surfaces, such as carbon electrodes. In this study, it was proposed a chemical route to obtain oligomerized glucose oxidase (Ol-GOx), aiming to improve the interaction between the enzyme and the surface of carbon fibers, since oligomerized proteins have their hydrophobic chains exposed. After structural characterization, it was concluded that Ol-GOx is formed by 10 dimeric units of native GOx with a hydrodynamic radius corresponding to approximately 96 nm. By cyclic voltammetry, it was studied the direct electron transfer (DET) between the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor and the surface of carbon fibers, where it was observed an increase of 7-fold in the faradaic currents in comparison to that observed for native GOx. Besides, bioelectrocatalytic properties are 30% improved, when analyzed the glucose oxidation by cyclic voltammetry. It was also concluded that the greater the β-sheet content in protein structure, the higher the DET observed between the enzyme and the carbon fibers surface.