Sucrose hydrolysis by invertase using a membrane reactor: effect of membrane cut-off on enzyme performance

Sucrose hydrolysis by invertase [EC.3.2.1.26] produces inverted sugar syrup, an ingredient mainly used in the food industry. To properly catalyze hydrolysis, the enzyme should be reused after this reaction. It is advisable to maintain constant activity over a considerable period. Thus, sucrose hydrolysis was performed in a membrane bioreactor - a continuously stirred tank reactor coupled with an ultrafiltration membrane (UFM) which provides good diffusion and high activity per unit volume. Molecular weight cut-off for soluble invertase UFMs was up to 100kDa. This study focused on the role of UFM invertase cut-off as it is the main element in the process. We demonstrated that both the cut-off and chemical nature of the UFM affected specific invertase activity.

A hidrólise da sacarose através da invertase [EC.3.2.1.26] gera xarope de açúcar invertido, que é usado principalmente como ingrediente na indústria alimentícia. Para ter-se uma hidrólise satisfatória, a enzima deve ser reaproveitada após a reação. É desejável que sua atividade seja mantida constante durante um período considerável de reação. A hidrólise da sacarose foi realizada em um reator com membrana (RM) - que é um reator continuamente agitado acoplado a uma membrana de ultrafiltração (MUF) -, porque apresenta efeitos mínimos de difusão e elevada atividade por unidade de volume. O corte molecular da MUF utilizada para reter a invertase solúvel dentro do MR foi de até 100kDa. Como a invertase é o elemento principal deste processo, este trabalho foi focado no papel do corte molecular da MUF na sua atividade. O corte molecular e a natureza química da membrana-UF mostraram afetar a atividade específica da invertase.

Invertase, glucose oxidase and catalase for converting sucrose to fructose and gluconic acid through batch and membrane-continuous reactors / Invertase de glicose oxidase e catalase para a conversão de sacarose para ácido glucónico e frutose através de lote e de membrana-contínuas reactores

Conversion of sucrose into fructose and gluconic acid using invertase, glucose oxidase and catalase was studied by discontinuous (sequential or simultaneous addition of the enzymes) and continuous (simultaneous addition of the enzymes in a 100 kDa-ultrafiltration membrane reactor) processes. The following parameters were varied: concentration of enzymes, initial concentration of substrates (sucrose and glucose), pH, temperature and feeding rate (for continuous process). The highest yield of conversion (100 percent) was attained through the discontinuous (batch) process carried out at pH 4.5 and 37 ºC by the sequential addition of invertase (14.3 U), glucose oxidase (10,000 U) and catalase (59,000 U).

Neste trabalho estudou-se a conversão da sacarose em frutose e ácido glicônico, usando as enzimas invertase, glicose oxidase e catalase, através do emprego de processo descontínuo (com adição sequencial ou simultânea das enzimas) e contínuo (adição simultânea das enzimas em reator com membrana acoplado à membrana de ultrafiltração de 100 kDa). Os parâmetros variados foram: a concentração das enzimas, a concentração inicial dos substratos (sacarose e glicose), o pH, a temperatura e a vazão específica de alimentação (processo contínuo). Obteve-se rendimento de 100 por cento, quando a conversão foi conduzida por processo descontínuo em pH 4,5 e a 37 ºC com adição seqüencial das enzimas invertase (14,3 U), glicose oxidase (10.000 U) e catalase (59.000 U).

Inverted sugar syrup attained from sucrose hydrolysis using a membrane reactor / Xarope de açúcar invertido obtido a partir de hidrólise da sacarose utilizando um reator com membrana

Invertase, whether adsorbed on styrene-divinylbenzene copolymers or otherwise, was used for continuous sucrose hydrolysis using a cell-type membrane reactor (CTMR), coupled with an ultra (UF-100kDa), or a microfiltration (MF- pore diameter of 5 µm) membrane. In all tests, the pH (5.5), temperature (30 ºC), reaction volume (10 mL) and agitation (100 rpm) were set constant; whereas, variable parameters were: feeding rate (0.4, 0.8 and 1.6 h-1), inlet sucrose concentration (2.5, 6.5, 50 and 100 mM) and enzyme/resin ratio (1.64 mg or 3.28 mg of protein per 25, 50 or 100 mg of resin). The best result (yield of 100 percent, steady-state duration over 20h and specific reaction rate over 243 x 10-3 mmol/h.mE) was obtained when insoluble invertase (1.64 mg protein/100 mg resin) was used to convert 50 mM or 100 mM of sucrose solution at 0.4 h-1 using a UF-CTMR.

Invertase, na forma adsorvida ou não em copolímeros de estireno-divinilbenzeno, foi usada para a hidrólise contínua de sacarose utilizando um reator com membrana (RM), acoplado a uma membrana de ultrafiltração (UF-100kDa), ou de microfiltração (MF - um diâmetro de poro de 5µm). Em todos os testes, o pH (5,5), a temperatura (30ºC), o volume reacional (10mL) e a agitação (100 rpm) foram mantidas constantes; os parâmetros variados foram: a vazão de alimentação (0,4; 0,8 e 1,6 h-1), a concentração de sacarose alimentada (2,5; 6,5; 50 e 100 mM) e a relação enzima/resina (1,64 mg ou 3,28 mg de proteína por 25, 50 ou 100 mg de resina). O melhor resultado (um rendimento de 100 por cento, um período de estado estacionário acima de 20h e uma taxa de reação específica maior de 243 x 10-3 mmol/h.mE) foi obtido quando a invertase insolúvel (1,64 mg de proteína/100 de mg resina) foi usado para converter 50 mM ou 100 mM de solução de sacarose a 0,4 h-1 usando UF-RM.

Obtaining partial purified xylose reductase from Candida guilliermondii / Obtenção de xilose redutase de Candida guilliermondii parcialmente purificada

The enzymatic bioconversion of xylose into xylitol by xylose reductase (XR) is an alternative for chemical and microbiological processes. The partial purified XR was obtained by using the following three procedures: an agarose column, a membrane reactor or an Amicon Ultra-15 50K Centrifugal Filter device at yields of 40 percent, 7 percent and 67 percent, respectively.

A bioconversão enzimática da xilose em xilitol pela xilose redutase (XR) é uma alternativa para as vias química e microbiológica. Avaliouse a purificação parcial da XR, utilizando os três seguintes procedimentos: uma coluna de agarose, um reator com membrana ou tubos de ultracentrifugação Amicon Ultra-15 50K, com rendimento de 40 por cento, 7 por cento ou 67 por cento, respectivamente.

Partial purification of glucose-6-phosphate dehydrogenase by aqueous two-phase poly(ethyleneglycol)/phosphate systems

Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) is an important enzyme used in biochemical and medical studies and in several analytical methods that have industrial and commercial application. This work evaluated the extraction of G6PDH in aqueous two-phase system (ATPS) of poly(ethyleneglycol) (PEG)/phosphate buffer, using as enzyme source a medium prepared through commercial baker's yeast disruption. Firstly, the effects of PEG molar mass on the enzyme partition and of homogenization and rest on the system equilibrium were investigated. Afterwards, several ATPS were prepared using statistical analysis (2² factorial design). The results, including kinetic and thermodynamic parameters for the G6PDH activity, showed partial purification of this enzyme in ATPS composed of 17.5 percent (w/w) PEG400 and 15.0 percent (w/w) phosphate. A high enzymatic recovery value (97.7 percent), a high partition coefficient (351), and an acceptable purification factor (2.28 times higher than in cell homogenate) were attained from the top phase. So, it was possible to attain an effective enzyme pre-purification by separating some contaminants with a simple method such as liquid-liquid extraction in aqueous two-phase systems (ATPS).

Glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PDH) é uma importante enzima usada em estudos bioquímicos e médicos, bem como em diversos métodos analíticos com aplicação comercial e industrial. Neste trabalho foi avaliado a extração da G6PDH em sistemas de duas fases aquosas (ATPS) constituídos por poli(etilenoglicol) (PEG)/tampão fosfato, usando como fonte de enzima um meio preparado por rompimento de leveduras de panificação comercial. Inicialmente foram investigados os efeitos da massa molar do PEG na partição da enzima e da homogeneização e repouso no equilíbrio do sistema. Na sequência, diversos ATPS foram preparados usando análise estatística (planejamento fatorial 2²). Os resultados, incluindo parâmetros cinéticos e termodinâmicos para a atividade da G6PDH, indicaram parcial purificação desta enzima em ATPS constituídos por 17,5 por cento (p/p) PEG400 e 15,0 por cento (p/p) fosfato. Um alto valor de recuperação enzimática (97,7 por cento), um alto coeficiente de partição (351), e um fator de purificação aceitável (2,28 vezes maior que em homogenato celular) foram obtidos na fase superior do sistema. Assim, foi possível alcançar uma pré-purificação eficaz da enzima separando alguns contaminadores aplicando um método simples tal como a extração líquido-líquido em sistemas bifásicos (ATPS).

Caracterização da xilose redutase extraída por micelas reversas-CTAB a partir de homogenato de Candida guilliermondii / Characterization of xylose reductase extracted by CTAB-reversed micelles from Candida guilliermondii homogenate

Xylosereductase (XR) (E.C.1.1.1.21), produced by Candida guilliermondii, grown in sugar cane bagasse hydrolysate, was separated directly from the cell homogenate by reversed micelles of cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB), attaining a recovery yield of 100% and enrichment factor of 5.6 fold. The extraction conditions were: pH=7.0, electrical conductivity= 14 mS/cm, T=5 degrees C, 5% (w/w) of hexanol, 22% (w/w) of butanol and 0.15 M CTAB. The XR after extraction was stable in pH interval of 6.0-6.5 and its heat inactivation constant was about 6.5 fold higher than that before extraction. The 'V IND. max' values against both xylose and NADPH for XR before and after extraction by reversed-micelles differed about 6%, whereas the difference on KM values were more pronounced. The ('K IND. m') 'IND. xylose' for XR after extraction was about 35% higher than before extraction, meanwhile ('K IND. m') 'IND. NADPH' was about 30% lower after than before extraction. As the KM variations indirectly signaled, the XR affinity simultaneously diminishes for xylose and increases for NADPH. This could probably explain why the 'V IND. max' values for XR before and after extraction were quite similar

A xilose redutase (XR) (E.C.1.1.1.21), produzida por Candida guilliermondii cultivada em hidrolisado de bagaço de cana de açúcar, foi separada diretamente do homogenato livre de células através da técnica de micelas reversas feitas com cetil trimetil brometo de amônio (CTAB). Obteve-se um rendimento de recuperação da enzima de 100% e um fator de enriquecimento de 5,6 vezes. As condições de extração foram: pH=7,0, condutividade elétrica = 14 mS/cm, T= 5 ºC, 5% (w/w) de hexanol, 22% (w/w) de butanol e 0.15M CTAB. A XR após a extração manteve-se estável no intervalo de pH entre 6.0 e 6.5, sendo a constante de inativação térmica cerca de 6,5 vezes maior do que aquela antes da extração. Os valores de Vmax da XR frente à xilose e NADPH antes e após a extração por micelas reversas diferiram cerca de 6%, enquanto que as diferenças nos valores de KM foram mais pronunciadas. O (KM)xilose para a XR após a extração foi cerca de 35% maior do que antes da extração, enquanto que (KM)NADPH foi 30% menor após do que antes da extração. As variações nos valores de KM indicam, indiretamente, que a afinidade da XR simultaneamente diminui para a xilose e aumenta para o NADPH. Este resultado poderia explicar a razão pela qual os valores de Vmax antes e após a extração terem sido praticamente iguais

Método para a imobilização da invertase por adsorção em resinas trocadoras de ânions (DOWEX) / Method for immobilizing invertase by adsorption on Dowex'registred mark' anionic exchange resin

This communication describes a method for adsorbing the invertase (EC.3.2.1.26) on DOWEX'registred mark' anion exchange resin. Among the types of DOWEX'registred mark' resins studied (1x8:50-400; 1x4:50-400 and 1x2:100-400), 1X4-200 was the most suitable, because it adsorbed the invertase molecules completely and the complex 1X4-200/invertase retained 100% of the catalytic activity. Moreover, no leakage of enzyme from the support was noted at the end of the sucrose hydrolysis

O presente trabalho descreve um método de adsorção da invertase (EC. 3.2.1.26) na resina de troca aniônica do tipo Dowex®. Entre os tipos de resinas Dowex® estudados (1x8:50-400; 1x4:50-400 e 1x2:100-400), 1x4-200 foi a mais apropriada devido à completa adsorção das moléculas de invertase e a sua retenção de atividade catalítica de 100% do complexo 1x4-200/invertase. Salienta-se ainda a ausência do desprendimento da enzima do suporte após o término da hidrólise da sacarose

Activity of glucose-fructose oxidoreductase in fresh and permeabilised cells of Zymomonas mobilis grown in different glucose concentrations

Sorbitol e ácido glucônico são produzidos por células previamente cultivadas da bactéria produtora de etanol Zymomonas mobilis pela acão das enzimas periplasmáticas glicose-frutose oxidorredutase (GFOR) e glucono-d-lactonase (GL). A atividade de GFOR/GL em células a serem empregadas nesta bioconversão depende das condicões de crescimento. Em cultivo em regime descontínuo, com concentracões iniciais de glicose (S0) entre 42 e 230 g/L, as maiores atividades específica e total de GFOR/GL foram obtidas com S0 = 153 g/L (12,6 U/g de células e 62 U/L), enquanto maiores S0 levaram a atividades decrescentes em células não tratadas. Com S0 = 209 g/L, a atividade específica final foi de 7 U/g, mas, após a ruptura das células, atividade superior a 15 U/g foi medida. Uma vez que em descontínuo observou-se inibicão por substrato com S0 a partir de 153 g/L, ensaios em regime descontínuo alimentado, com glicose equivalente a 230 g/L em descontínuo, foram realizados. Embora a inibicão pelo substrato tenha sido superada, a atividade permaneceu baixa (5,2 U/g). Um novo ensaio em descontínuo alimentado, conduzido sob baixa pressão para remover o etanol do meio, resultou em atividade específica de 9,8 U/g e total de 68,7 U/L. Estes resultados indicam que as baixas atividades em células de Z. mobilis cultivadas com maiores S0 se deveram a mudancas na parede celular, provocadas por concentracões elevadas de etanol, que dificultaram o transporte de substrato para as enzimas intracelulares durante a bioconversão. Esta conclusão foi confirmada em ensaios de bioconversão com células provenientes de cultivos em diferentes condicões.

Influence of pH on the partition of glucose-6-phosphate dehydrogenase and hexokinase in aqueous two-phase system

Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and hexokinase (HK) are important enzymes used in biochemical and medical studies and in several analytical methods. Aqueous two-phase system (ATPS) formed by a polymer solution and an electrolyte solution provides a method for the separation and purification of enzymes with several advantages, including biocompatibility and easy scale up of the process. In this work, the effects of different pH values on the storage stability and partitioning behavior (K, partition coefficient) of the enzymes G6PDH and HK from baker's yeast extract were investigated in ATPS. The results, obtained from the 17.5 percent PEG 400 : 15.0 percent phosphate system, showed that when the pH was increased from 5.0 to 8.8, the K HK increased 26-fold and the K G6PDH 2.2-fold. In the 20.0 percent PEG 1500 : 17.5 percent phosphate system, the K HK and K G6PDH increased 13 and 1.2-fold, when the pH value was increased from 3.8 to 8.8, respectively. This leads to the conclusion that the partition coefficient for both enzymes is favored by high pH values. A statistical analysis of the results was conducted to confirm this conclusion

Liquid-liquid extraction of pharmaceuticals by aqueous two-phase systems

Aqueous two-phase systems are generally composed of a water solution of two structurally distinct hydrophilic polymers or of one polymer and certain salts. From analytical to commercial scale, aqueous two-phase systems have their application in the purification, characterization and study of biomaterials. In this review, we present some applications of aqueous two-phase systems in the separation and study of various pharmaceuticals, incluing recombinant proteins, antibodies and antigens, antibiotics, amino acids and oligopeptides, lactic acid, enzymes etc. Some new developments of the aqueous two-phase systems are reviewed and the prospects of this excellent technology are discussed...

Purificação de glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PDH) em sistemas de duas fases aquosas utilizando PEG/citrato / Purification of glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) by aqueous two-phase system by using PEG/citrate

Foi estudada, neste trabalho, a purificação por extração líquido-líquido da enzima glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PDH), de Saccharomyces cerevisiae, em sistemas de duas fases aquosas, preparados com polietilenoglicol (PEG) e sal citrato. Foram avaliados, também, a estabilidade e o equilíbrio do sistema, além do efeito da concentração de citrato de sódio, concentração e massa molar do PEG na partição desta enzima, com auxílio de um planejamento experimental do tipo fatorial 2ü. Os resultados das extrações mostraram que é possível purificar a G6PDH nesse tipo de sistema, com a condução do processo em duas etapas. A primeira delas, conduzida com 17 porcento (p/p) de PEG 400 e 20 porcento (p/p) de citrato...

The effect of pH on the activity of cellulase fractionated between bulk and droplet phases

Aqueous cellulase solutions were vigorously shaked in a separatory funnel, promoting a partition of the enzyme between the droplets formed and the residual bulk solution. The partition coefficient (K ANTPOT. p) was defined as the ratio of protein concentrations in the droplets and in the residual bulk solution. The K ANTPOT. p depended on both initial pH and cellulase concentration, being markedly favoured by using dilute enzyme solutions (up to 40 mg/L) and initial pH between 2.0 and 3.0