Esterificação enzimática para obtenção de acrilatos simples e múltiplos de maltodextrina
Bianca Maíra Teixeira Ayres
TESE
T/UNICAMP Ay74e
[Enzymatic acrylation for production of simple and multiple acrylates of maltodextrin]
Campinas, SP : [s.n.], 2014.
170 p. : il.
Orientadores: Telma Teixeira Franco, Gustavo Paim Valença
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química
Resumo: O objetivo deste trabalho foi a biocatálise de acrilatos de carboidratos, desde glicose até maltodextrina. Maltodextrinas (MD) são produtos da hidrólise do amido, caracterizadas por cadeias de 5 a 20 unidades de ?-D-glicose unidas por ligações ?-1,4 (principalmente). Análises por...
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Resumo: O objetivo deste trabalho foi a biocatálise de acrilatos de carboidratos, desde glicose até maltodextrina. Maltodextrinas (MD) são produtos da hidrólise do amido, caracterizadas por cadeias de 5 a 20 unidades de ?-D-glicose unidas por ligações ?-1,4 (principalmente). Análises por cromatografia de permeação em gel (HPSEC) caracterizou ampla distribuição de massa molar de amostras padrão ou industriais de MD, apresentando de 1 a 100 unidades de glicose (G1). O fracionamento por etanol para seleção de menores cadeias de glicose não foi efetivo pois variadas frações volumétricas de etanol forneceu contaminação de cadeias curtas no precipitado. Os principais fatores limitantes para a esterificação enzimática da MD com ácido acrílico são baixa solubilidade do substrato sacarídico, inibição por ácido acrílico, polaridade do solvente orgânico que permita atividade enzimática, a qual depende das características da lipase imobilizada como tipo de suporte e origem da lipase. Lipases disponíveis comercialmente na forma imobilizada de Thermomyces lanuginosa (TL IM) ou Candida antarctica (Novozyme 435) e, imobilização por adsorção das lipases de T.lanuginosa, C.antarctica, Candida rugosa e Rizomucor miehei em Accurel EP-100 foram investigadas em triagem associada de solventes orgânicos. Dioxano e Novozyme 435 foram a melhor associação que alcançou maior conversão de G1 e G2. Acrilatos de maltodextrina foram também observados sob incubação com TL IM em TBA. A solubilidade da MD é completa em água, piridina e DMSO, cerca de 1 kg L-1, mas as lipases não são ativas para esterificação nestes solventes. A água é um subproduto da esterificação e sua presença pode deslocar a reação em favor da hidrólise. A adição de DMSO como co-solvente para o sistema reacional contendo 2M2B ou TBA foi comprovado ser menos eficiente que sistemas com 100% dos solventes apolares. A maior área de taxa de aumento da produção direta de acrilatos de maltodextrina foi alcançada com 2-metil-2- butanol como meio reacional. Analogicamente, a acrilação enzimática de n-butanol foi catalisada pela Novozyme 435. Diferentemente dos acrilatos de carboidratos, o produto acrilato de butila pôde ser quantificado por cromatografia em fase gasosa (CG). Sistemas de solventes e co-solventes (tolueno, ciclohexano, 2-metil-2-butanol (2M2B), álcool terc-butílico (TBA) e associações com parcial volume de dimetilsulfoxido (DMSO)) foram estudados para determinar o efeito destes na atividade enzimática específica. O uso de ciclohexano e tolueno resultaram em atividade da enzima três vezes maior que em TBA e 2M2B. n-Butanol e MD são substratos diferenciados pela solubilidade nos solventes orgânicos, os quais devem ser apolares ou pouco polares para permitir atividade catalítica. Uma reação secundária de acrilação com o solvente orgânico, TBA ou 2M2B, foi verificada por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas. A esterificação enzimática de maltose, de maltotriose e maltodextrina com ácido acrílico catalisada pela lipase Novozyme 435 em 2M2B foram analisadas por espectrometria de massas com ionização por eletrospray, ou acoplada à cromatografia líquida de alta eficiência. Essas análises confirmaram a presença de uma até quatro hidroxilas acriladas da maltose (G2) ou da maltotriose (G3). Um processo em duas etapas de biocatálise para produção de acrilatos de carboidratos foi investigado. Inicialmente, G1 ou G2 foram esterificadas enzimaticamente com propionato de vinila ou acrilato de etila por incubação com Novozyme 435 em dioxano. Em subsequente etapa, a cadeia glicosídica destes ésteres foram alongadas a partir da atividade da cicloglicosil transferase de Bacillus macerans com ?-ciclodextrina como doador de grupo glicosil. Cromatografia líquida de alta eficiência com detecção amperométrica e aerossol carregado e cromatografia em camada delgada foram utilizados para identificar os ésteres de oligossacarídeos. Cerca de 75% ou 55% de ?-ciclodextrina foi convertida com consumo de 40.5% de propionato de glicose (G1P) ou 86.3% de propionato de maltose (G2P) pela atividade da CGTase. A composição da solução final foi, desde 2 a 14 unidades de glicose com uma unidade acrilada ou propilada
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Abstract: The aim of this work was the biocatalysis of the acrylates of carbohydrates, from glucose up to maltodextrins. Maltodetrins (MD) are starch hydrolysates consisting of ?-D-glucose units bounded by ?-1,4 glycosidic linkages (primarily). Analysis of standard or industrial samples of MD in gel...
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Abstract: The aim of this work was the biocatalysis of the acrylates of carbohydrates, from glucose up to maltodextrins. Maltodetrins (MD) are starch hydrolysates consisting of ?-D-glucose units bounded by ?-1,4 glycosidic linkages (primarily). Analysis of standard or industrial samples of MD in gel permeation chromatography presented a huge molecular mass distribution, from 1 to 100 units of glucose (G1). An ethanol fractionation step for selection of narrow range of the chains of glucose was unsuccesfull because the precipitate and supernatant were contamined with small molecules. The main limitant factors for enzymatic esterification of MD with acrylic acid are the catering saccharidic substrate (increase its solubility) to the lipase, to avoid (or overcome) inhibition from acrylic acid, and to allow enzymatic activity, which depends on the characteristics of the immobilized lipases (type of support, source of the lipase) and solvent of the system. Commercial immobilized lipases from Thermomyces lanuginosa (TL IM) or Candida antarctica (Novozyme 435) and, lipases from T.lanuginosa, C.antarctica, Candida rugosa and Rizomucor miehei immobilized by absorption in Accurel EP-100 were investigated in a screening of organic solvents. Dioxane and Novozyme 435 were the best association for higher conversion of G1 and G2. TL IM in tert-butanol (TBA) was the only system, which produced acrylates of maltodextrina on TLC plates. The solubility of the MD is complete in water, pyridine and dimethylsulfoxide (DMSO), about 1 kg L-1, but lipases are not active for esterification in these solvents. The water is a byproduct of the esterification and shifts the reversible reaction toward the hydrolysis. The partial addition of the co- solvent DMSO to the reactional system containing 2-methyl-2-butanol (2M2B) or TBA was tested for partial solubilization of the maltodextrin. The systems with only one organic solvent were more efficient than the presence of DMSO. The highest area in high performance liquid chromatography (HPLC) for production of the MD acrylates was achieved with 2M2B as adjuvant. Analogically, the acrylation of n-butanol by Novozyme 435 was studied to better understand the enzymatic acrylation, since the quantification of the product butyl acrylate is possible by gas chromatography (GC). Solvent systems (toluene, cyclohexane, 2M2B, TBA and partial volume of DMSO) were studied to determine the effect of the solvents on the specific enzymatic activity. It was found that cyclohexane and toluene achieved 3-fold the enzyme activity that in TBA and 2M2B. However, n-butanol and MD as substrate are mainly differentiated regards to the solubility in non polar organic solvents which are more suitable for lipase activity. A side reaction of acrylation of the organic solvent, TBA or 2M2B, was verified by GC-Mass Spectrometry. Meanwhile, the enzymatic esterification of maltose, maltotriose and maltodextrin with acrylic acid by Novozyme 435 in 2M2B were analyzed in electrospray ionization (ESI) mass spectrometry (MS) associated to HPLC, which confirmed the presence of mono- until tetra- acrylated hydroxyls for maltose (G2) and maltotriose (G3). A two-step process of biocatalysis for producton of sugar acrylates was investigated. G1 or G2 was acylated with either vinyl propionate or ethyl acrylate by Novozyme 435 in dioxane. Then, the elongation of the chain by cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) from Bacillus macerans with ?-cyclodextrin as acyl donor provided maltoligosaccharides esters. CGTase from Bacillus macerans converted these products from the first step and ?-cyclodextrin into oligosaccharide esters. HPLC coupled to charged aerosol detector and amperometric exchange and thin layer chromatography were used to identify the oligosaccharide esters. About 75% or 55% of ?-cyclodextrin was converted under consumption of 40.5% of glucose propionate (G1P) or 86.3% of maltose propionate (G2P) by CGTase activity. The composition of the final solution was since 2 to 14 glucose units with one acrylate or propionate moiety
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Franco, Telma Teixeira, 1957-
Orientador
Valença, Gustavo Paim, 1960-
Coorientador
Santos, Julio César dos
Avaliador
Wielen, Luuk Antonius Maria van der
Avaliador
Schuchardt, Ulf Friedrich, 1946-2020
Avaliador
Frederico, Fernando Rodrigo
Avaliador
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Bianca Maíra Teixeira Ayres
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