Ações Consultar Procurar Exibir estatísticas

Dúvidas e sugestões

Consultar: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

Título [PT]: Produção de β-ciclodextrina por fermentação e ciclização simultâneas
Título [EN]: Enhanced β-cyclodextrin production by simultaneous fermentation and cyclization
Autor(es): Heron Oliveira dos Santos Lima
Palavras-chave [PT]:

Ciclodextrinas. Produção por fermentação e ciclização. Enzimas. Produção. Brasil.

Resumo: As ciclodextrinas (CDs) são oligossacarídeos cíclicos constituídos por um número variável de unidades de glicose (geralmente de 6 a 8), unidas por ligações α-1,4. As mais comuns são: α-CD (ciclohexamilose), β-CD (cicloheptamilose) e y-CD (ciclooctamilose). São produzidas pela ação da enzima ciclodextrina glicosil transferase (CGTase) sobre o amido previamente liquefeito. O anel formado é muito hidrofihico externamente devido ao grande número de hidroxílas, mas relativamente hidrofóbico internamente devido às ligações glicosídicas e átomos de hidrogênio na face interior da cavidade. Esta estrutura favorece termodinamicamente, em soluções aquosas, a inclusão de moléculas apolares de tamanho adequado, no interior da cavidade da ciclodextrina. Para moléculas grandes e complexas é provavelmente a parte hidrofóbica que pode ser incluída no interior das CDs. Esta propriedade das CDs a tornam muito úteis na microencapsulação de produtos em nível molecular, conferindo estabilização química e fisica às substâncias complexas. Como conseqüência dessa propriedade as CDs tem um vasto campo de aplicação em várias indústrias, tal como: farmacêutica, alimentícia, cosméticos e agro-industriais. A literatura sobre a produção de β-CD a partir de amido de batata e milho com adição de solventes (etanol entre outros) é relativamente rica, sendo que em todos os processos o rendimento da reação é afetado pela presença de malto-oligossacarídeos, que além de propiciarem a ocorrência das reações de transglicosilação intermolecular, atuam como inibidores da enzima CGTase. Entre estes açúcares destacam-se, principalmente, a glicose e a maltose. Considerando o grande potencial de aplicação e a grande produção do amido de mandioca disponível no Brasil a um custo relativamente baixo, objetivou-se estudar neste trabalho a produção de β-CD por um processo de Fermentação e Ciclização Simultâneas (F.C.S.), oferecendo portanto, outra alternativa de uso da matéria-prima nacional. A idéia deste processo é eliminar a glicose e a maltose pela fermentação, pois estes açúcares inibem a produção de CD, e ao mesmo tempo produz-se o etanol que aumenta o rendimento em CD. Este processo, na forma concebida neste trabalho, é uma idéia original ainda não explorada na literatura. Soluções de amido liquefeito com diferentes Dextroses equivalentes (D.E.) foram produzidas pela hidrólise da fécula (amido de mandioca) com α-amilase por períodos de até 45 min, para produzir uma D.E. igual a 22,20. As condições de reação de hidrólise foram: 95°C, pH 6,0, e solução de amido com concentração nominal a 10% p/v. O valor da D.E. foi determinado pelo método de Somogyi-Nelson. A solução de amido com concentração nominal de 10% p/v, previamente liquefeito com α-amilase, foi submetida à ação da enzima CGTase (CGTase WACKER) em meios reacionais contendo: (i) somente CGTase; (ii) CGTase + etanol (1 - 5% v/v), (iii) CGTase + levedura Saccharomyces cerevisiae (12% p/v) + nutrientes (sulfato de amônio e superfosfato triplo - 0,15g cada). O último meio correspond ao processo F.C.S. As condições de reação foram: 38°C, pH 6,0 e D.E. de 2 a 25 e 0,50 mL de enzima CGTase para 150 mL de meio reacional. A solução estoque de enzima apresentava 0,9967 mg prot/ mL e uma atividade de 8,3 μmol β-CD / min L determinada a 38°C, pH 6,0 e solução de amido solúvel a 1% p/v. O método de determinação da β-CD foi espectrofotométrico baseado na descoloração da fenolftaleína pela complexação com β-CD. O etanol foi separado pela destilação e determinado por cromatografia a gás. O rendimento em β-CD decresceu com o aumento da D.E. de 2 a 25 em todos os três meios ensaiados, e parece existir um ótimo para valores de D.E. entre 2 e 10. Os máximos rendimentos para cada meio foram encontrados na D.E. igual a 3,30 alcançando: (i) 5,6 μmol β-CD; (ii) 14,7 μmol β-CD, e, (iii) F.C.S. 11,5 μmol β-CD. Para um aumento na D.E. de aproximadamente 6 vezes ( D.E. 3,30 para 22,20) o rendimento em β-CD diminuiu 6 vezes para os meios um e dois (com 3% de etanol), enquanto no processo F.C.S. este decréscimo foi de apenas 3,1 vezes (de 11,5 a 3,73 μmol) mostrando que este processo é menos sensível à variação da D.E. da solução de amido liquefeito. Embora a produção de β-CD no processo F.C.S seja ainda relativamente baixa (3,37 μmol), este trabalho demonstra que é possível produzir b-CD a partir de soluções de amido de mandioca (fécula) com alta D.E (22,20), com rendimentos superiores à simples utilização de CGTase. Por exemplo, o processo F.C.S conduz a rendimentos 95 % e 54% superiores àqueles obtidos com a utilização de CGTase e CGTase com adição de 3% v/v de etanol, respectivamente. Os resultados deste trabalho demonstraram que: (i) o amido de mandioca é uma matéria-prima adequada à produção de β-CD, e (ii) o processo F.C.S. é uma alternativa tecnológica potencial para a produção de CDs quando são disponíveis soluções de amido com elevada D.E.. Esta vantagem advém da eliminação simultânea e sinergística dos açúcares inibidores concomitante produção de etanol que conduz a maiores rendimentos em CD. Trabalhos futuros terão a preocupação de otimizar as condições operacionais. Abstract: Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides that may be formed by different numbers of glucose units (usually from 6 to 8), linked by α -1,4 bonds. The most common cyclodextrins are: α-CD (cyclohexamilose), β-CD (cycloheptamilose) e y-CD (cyclooctamilose). These cyclic maltodextrins are produced through the action of the enzyme cyclodextrin glycosyl transferase (CGTase) upon liquefied starch. The ring structure formed is highly hydrophilic on the outside because of the great numbers of hydroxyls, but relatively hydrophobic inside owing to the glicosylic bonds and hydrogen atoms that face the interior of the cavity. Thermodynamics dictates and experimentation confirms that this structure favors, in aqueous solutions, the inclusion of polar molecules, of suitable size, insiDE the cyclodextrin cavity. For long and complex molecules it may be its most hydrophobic parts that can be included inside the CDs. This property of CDs make them a valuable microencapsulation product at the molecular level conferring chemical and physical stabilization to the complexed substances. As a consequence of this property CDs have a broad actual and potential field of application in various industries such as: Pharmaceutical, Food, Cosmetics and Agro-industries. The literature on the production of β-CD from corn and potato starches with the addition of solvents (ethanol among others) is relatively rich. In these processes reaction yield is affected by the presence of malto-oligosaccharid es that not only participate in the reactions of intermolecular transglicosilation, but also func tion as inhibitors of the CGTase enzyme. Noteworthy among these saccharid es are glucose and maltose. Given the great potential of application of the CDs and the abundance of cassava starch, available at good price in Brazil, it was decided to study in this work the production of β-CD through the process of Simultaneous Fermentation and Cyclization (SFC), offering therefore another alternative end use for a national resource. The idea of this process is to eliminate glucose and maltose by fermentation because they inhibit CD production while at the same time producing ethanol that increases CD yield. This process, in the form conceived in this work, is an original idea not previously seen in the literature. Liquefied starch solutions of increasing Dextrose Equivalent (D.E.) were produced by hydrolyzing fécula (cassava starch) for longer periods with α-amylase, 45 min. giving D.E. equal to 22.2. Hydrolysis reaction conditions were: 95°C, pH 6.0 and 10% w/v starch solution. The D.E. value was measured by Somogyi-Nelson. A 10% w/v solution of starch, previously liquefied with a-amylase, was incubated with CGTase (WACKER) using three different reaction media: the first had only CGTase, the second had CGTase plus ethanol (from 1 to 5% v/v), and the third had CGTase plus yeast, Saccharomyces cerevisiae (12.5% w/v), plus nutrients (triple superphosphate and ammonium sulfate, 0.15g of each). The last medium correspond to the SFC process. Reaction conditions were: 38°C, pH 6.0, D.E. from 2 to 25, and 0.5 mL of CGTase enzyme stock solution for 150 mL of reaction medium. The CGTase nzyme stock solution had 0.9967 mg of protein/mL, and an enzyme activity of 8.3 μmols of β-CD/min L, measured at 38°C, pH 6.0, 1% w/v soluble starch solution. The assay method for β-CD was spectrophotometric based on phenolphthalein discoloring by complexation with β-CD. Ethanol separated by distillation was measured by gas chromatography. The yield of β-CD has d ecreased with an increase in D.E. values from 2 to 25 in any of the reaction media, and it appears that exists an optimum for D.E. values between 2 and 10. Maximum reaction yields for each reaction media were: found for D.E. equal to 3.30 reaching for the first medium: 5.6 μmol β-CD; for the second: 14.7 μmol β-CD; and for the S.F.C process conditions 11.5 μmol β-CD. For an increase of D.E. of about 6 times (from 3.30 to 22.20) β-CDyield decreased 6 times for reaction media one and two (with 3% v/v ethanol). whereas for the S.F.C process this decay was only of 3.1 times (from 11.5 to 3.73 μmol), showing that the S.F.C process is less sensitive to variations in the D.E. of the liquefied starch solution. Although b-CD yield in the S.F.C process is still low (3.73 μmol), this work has shown that it is possible to produce β-CDfrom cassava starch solutions of high D.E. (22.2), giving yields higher than using only CGTase in the same starch solution. For example, the S.F.C process gives 95% and 54% higher yields than only CGTase, and CGTase plus 3% v/v ethanol, respectively. The results of this work have show that: (i) cassava starch is a suitable raw material for the production of β-CD, and (ii) the S.F.C process is an alternative technology of better potential for production of CDs when high D.E. starch solutions are available. This advantage comes from the simultaneous and synergistic elimination of inhibiting sugars with concomitant production of ethanol that lead to higher CD yields. Future work should search for optimizing reaction conditions.

Idioma: Português Data de Publicação: 1996 Local de Publicação: Maringá, PR Orientador: Prof.ª Dr.ª Gisella Maria Zanin Instituição: Universidade Estadual de Maringá. Departamento de Engenharia Química Nível: Dissertação (mestrado)/ UEM: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

Responsavel: beth
Categoria: Aplicação
Formato: Documento PDF
Arquivo: HeronOSL.pdf
Tamanho: 795 Kb (813609 bytes)
Criado: 02-08-2013 18:18
Atualizado: 03-08-2013 10:18
Visitas: 1319
Downloads: 17

[Visualizar]  [Download]

Todo material disponível neste sistema é de propriedade e responsabilidade de seus autores.