Glucosyltransferase production by Klebsiella sp. K18 and conversion of sucrose to palatinose using immobilized cells / Produção de glicosiltransferase por Klebsiella sp. K18 e conversão de sacarose em palatinose utilizando células imobilizadas

The strain Klebsiella sp. K18 produces the enzyme glucosyltransferase and catalyses the conversion of sucrose to palatinose, an alternative sugar that presents low cariogenicity. Response Surface Methodology was successfully employed to determine the optimal concentration of culture medium components. Maximum glucosyltransferase production (21.78 U mL-1) was achieved using the optimized medium composed by sugar cane molasses (80 g L-1), bacteriological peptone (7 g L-1) and yeast extract (20 g L-1), after 8 hours of fermentation at 28ºC. The conversion of sucrose to palatinose was studied utilizing immobilized cells in calcium alginate. The effects of the alginate concentration (2-4%), cell mass concentration (20-40%) and substrate concentration (25-45%) were evaluated and the yield of palatinose was approximately 62.5%.

A linhagem Klebsiella sp. K18 produz a enzima glicosiltransferase que catalisa a conversão de sacarose em palatinose, um açúcar alternativo que apresenta baixa cariogenicidade. Metodologia de Superfície de Resposta foi empregada com sucesso para determinar a concentração ótima dos componentes do meio de cultivo. A máxima produção deglicosiltransferase (21,78 U mL-1) foi obtida utilizando o meio de cultivo otimizado composto por melaço de cana de açúcar (80 g L-1), peptona bacteriológica (7 g L-1) e extrato de levedura (20 g L-1), após 8 horas de fermentação a 28ºC. A conversão desacarose em palatinose foi estudada utilizando células imobilizadas em alginato de cálcio. Os efeitos da concentração de alginato (2-4%), concentração de massa celular (20-40%) e concentração de substrato (25-45%) foram avaliados e a porcentagem de palatinose foi de aproximadamente 62,5%.

Glucosyltransferase production by Klebsiella sp. K18 and conversion of sucrose to palatinose using immobilized cells

The strain Klebsiella sp. K18 produces the enzyme glucosyltransferase and catalyses the conversion of sucrose to palatinose, an alternative sugar that presents low cariogenicity. Response Surface Methodology was successfully employed to determine the optimal concentration of culture medium components. Maximum glucosyltransferase production (21.78 U mL-1) was achieved using the optimized medium composed by sugar cane molasses (80 g L-1), bacteriological peptone (7 g L-1) and yeast extract (20 g L-1), after 8 hours of fermentation at 28°C. The conversion of sucrose to palatinose was studied utilizing immobilized cells in calcium alginate. The effects of the alginate concentration (2-4%), cell mass concentration (20-40%) and substrate concentration (25-45%) were evaluated and the yield of palatinose was approximately 62.5%.

A linhagem Klebsiella sp. K18 produz a enzima glicosiltransferase que catalisa a conversão de sacarose em palatinose, um açúcar alternativo que apresenta baixa cariogenicidade. Metodologia de Superfície de Resposta foi empregada com sucesso para determinar a concentração ótima dos componentes do meio de cultivo. A máxima produção de glicosiltransferase (21,78 U mL-1) foi obtida utilizando o meio de cultivo otimizado composto por melaço de cana de açúcar (80 g L-1), peptona bacteriológica (7 g L-1) e extrato de levedura (20 g L-1), após 8 horas de fermentação a 28°C. A conversão de sacarose em palatinose foi estudada utilizando células imobilizadas em alginato de cálcio. Os efeitos da concentração de alginato (2-4%), concentração de massa celular (20-40%) e concentração de substrato (25-45%) foram avaliados e a porcentagem de palatinose foi de aproximadamente 62,5%.

Cyclodextrin glycosyltransferase production by new Bacillus sp. strains isolated from brazilian soil / Produção de ciclodextrina glicosiltransferase por novas cepas de Bacillus sp. isoladas de solo brasileiro

Three strains of Bacillus sp. (BACRP, BACNC-1 and BACAR) were isolated from soil adhered to cassava husk. CGTase specific activity for the three isolated strains was higher when cultivated at 40¨¬C. Potato starch, cassava starch, maltodextrin and glucose were used as carbon source and growth temperatures varied from 25 to 55¨¬C. The three isolates presented higher CGTase specific activity when cultivated with potato starch at 40¨¬C. Isolated BACRP and BACAR presented specific activity of 4.0x10-3 and 2.2x10-3 U/mg prot at pH 7.0, respectively, when cultivated in mediums added with NaCl 2 percent; at pH 10,0 their activities were of 3.4x10-3 and 3.0x10-3 U/mg prot, respectively, in the same concentration of NaCl. On the other hand, the isolated BACNC-1 presented activity specific of 2.4x10-3 U/mg prot when cultivated at pH 7.0 added of NaCl 1 percent, and at pH 10.0 the specific activity was of 3.4x10-3 U/mg prot without NaCl addition. This work also showed the presence of cyclodextrins formed during fermentation process and that precipitation with acetone or lyophilization followed by dialysis was efficient at removing CDs (cyclodextrins), thus, eliminating interference in the activity assays. The enzyme produced by the BACAR strain was partially purified and ¥â-CD was liberated as a reaction product.

Três linhagens de Bacillus sp (BACRP, BACNC- 1 e BACAR) foram isoladas a partir de solo aderido em casca de mandioca. Foram utilizados amido de batata, amido de mandioca, maltodextrina e glicose como fonte de carbono, e temperaturas de crescimento de 25-55¨¬C, sendo que os três isolados apresentaram maior atividade específica de CGTase quando cultivados com amido de batata a 40¨¬C. Em pH 7,0 os isolados BACRP e BACAR apresentaram atividade específica de 4,0x 10-3 e 2,2x10-3 U/mg prot, respectivamente, quando cultivados em meios acrescidos de 2 por cento de NaCl; em pH 10,0 suas atividades foram de 3,4x10-3 e 3,0x10-3 U/mg prot na mesma concentração de NaCl. Por outro lado, o isolado de BACNC-1 apresentou atividade específica 2,4x10-3 U/mg prot quando cultivado em pH 7,0 acrescido de 1 por cento de NaCl, e em pH 10,0 sua atividade específica foi de 3,4x10-3 U/mg prot sem adição de NaCl. Também foi demonstrada neste trabalho que ciclodextrinas são formadas durante o processo fermentativo, e que a precipitação com acetona ou liofilização seguida de diálise foram eficientes na remoção destas CDs, eliminando sua interferência nos ensaios enzimáticos. A enzima produzida pela cepa BACAR foi purificada parcialmente liberando b-CD como produto da reação.

Cyclodextrin glycosyltransferase production by new Bacillus sp. strains isolated from brazilian soil

Three strains of Bacillus sp. (BACRP, BACNC-1 and BACAR) were isolated from soil adhered to cassava husk. CGTase specific activity for the three isolated strains was higher when cultivated at 40ºC. Potato starch, cassava starch, maltodextrin and glucose were used as carbon source and growth temperatures varied from 25 to 55ºC. The three isolates presented higher CGTase specific activity when cultivated with potato starch at 40ºC. Isolated BACRP and BACAR presented specific activity of 4.0x10-3 and 2.2x10-3 U/mg prot at pH 7.0, respectively, when cultivated in mediums added with NaCl 2%; at pH 10,0 their activities were of 3.4x10-3 and 3.0x10-3 U/mg prot, respectively, in the same concentration of NaCl. On the other hand, the isolated BACNC-1 presented activity specific of 2.4x10-3 U/mg prot when cultivated at pH 7.0 added of NaCl 1%, and at pH 10.0 the specific activity was of 3.4x10-3 U/mg prot without NaCl addition. This work also showed the presence of cyclodextrins formed during fermentation process and that precipitation with acetone or lyophilization followed by dialysis was efficient at removing CDs (cyclodextrins), thus, eliminating interference in the activity assays. The enzyme produced by the BACAR strain was partially purified and -CD was liberated as a reaction product.

Três linhagens de Bacillus sp (BACRP, BACNC- 1 e BACAR) foram isoladas a partir de solo aderido em casca de mandioca. Foram utilizados amido de batata, amido de mandioca, maltodextrina e glicose como fonte de carbono, e temperaturas de crescimento de 25-55ºC, sendo que os três isolados apresentaram maior atividade específica de CGTase quando cultivados com amido de batata a 40ºC. Em pH 7,0 os isolados BACRP e BACAR apresentaram atividade específica de 4,0x 10-3 e 2,2x10-3 U/mg prot, respectivamente, quando cultivados em meios acrescidos de 2% de NaCl; em pH 10,0 suas atividades foram de 3,4x10-3 e 3,0x10-3 U/mg prot na mesma concentração de NaCl. Por outro lado, o isolado de BACNC-1 apresentou atividade específica 2,4x10-3 U/mg prot quando cultivado em pH 7,0 acrescido de 1% de NaCl, e em pH 10,0 sua atividade específica foi de 3,4x10-3 U/mg prot sem adição de NaCl. Também foi demonstrada neste trabalho que ciclodextrinas são formadas durante o processo fermentativo, e que a precipitação com acetona ou liofilização seguida de diálise foram eficientes na remoção destas CDs, eliminando sua interferência nos ensaios enzimáticos. A enzima produzida pela cepa BACAR foi purificada parcialmente liberando b-CD como produto da reação.

Metodologia de seleção de cepas para produção etodologia da ciclodextrina glicosiltransferase e para purificação da enzima / Strains selection methodology for cyclodextrin glycosyltransferase production and enzyme purification

As ciclodextrinas (CDs) são maltooligossacarídeos, produzidas a partir do amido, pela enzima ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase). Esta pesquisa teve por objetivo estabelecer metodologias de seleção de cepas para produção de CGTase e para purificação da enzima. Os microrganismos foram selecionados a partir de 53 análises de solos de cultura de amido, em placas contendo meio de cultivo específico, para seleção de cepas produtoras de CGTase. As enzimas foram obtidas com cultivo destes microrganismos em meio líquido. As atividades enzimáticas das CGTases foram determinadas pelos métodos espectrofotométricos e precipitação com tricloroetileno. A cepa isolada do solo de aveia foi a que apresentou maior atividade [0,1864 µmol de alfa-CD (min mL)-1]. Esta cepa foi utilizada para a produção da enzima em escala laboratorial e purificação em cromatografia de afinidade bioespecífica. A cepa selecionada nesta pesquisa abre novas perspectivas para produção de enzima e CDs em escala industrial. Palavras-chave: ciclodextrina, glicosiltransferase, CGTase.

Cyclodextrins (CDs) are maltooligosaccharides produced from starch by cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase) enzyme. This research aimed at establishing method for strains selection for CGTase production and enzyme purification. The microorganisms were selected from 53 analyses of starch cultures soils on plates containing specific culture medium for strains selection that produce CGTase. The enzymes were obtained by culturing these microorganisms in liquid medium. The enzyme activity was determined with photospectrometric methods and precipitation with trichloroethylene. The strain isolated from oat soil was the one that showed the highest activity [0.1864 µmol of alpha-CD (min mL)-1]. This strain was used for enzyme production in laboratory scale and purification by biospecific affinity chromatography. The strain selected in this research opens new perspectives for enzymes production and CDs in industrial scale.

Cyclodextrin glycosyltransferase from Bacillus licheniformis: optimization of production and its properties

Cyclodextrin glycosyltransferase (EC 2.4.1.19) is an enzyme that produces cyclodextrins from starch via an intramolecular transglycosylation reaction. An alkalophilic Bacillus strain, isolated from cassava peels, was identified as Bacillus licheniformis. CGTase production by this strain was better when potato starch was used as carbon source, followed by cassava starch and amylopectin. Glucose and amylose, on the other hand, acted as synthesis repressors. When the cultivation was supplemented with sodium ions and had the pH adjusted between 6.0 and 9.0, the microorganism maintained the growth and enzyme production capacity. This data is interesting because it contradicts the concept that alkalophilic microorganisms do not grow in this pH range. After ultrafiltration-centrifugation, one protein of 85.2 kDa with CGTase activity was isolated. This protein was identified in plates with starch and phenolphthalein. Determination of the optimum temperature showed higher activities at 25ºC and 55ºC, indicating the possible presence of more than one CGTase in the culture filtrate. Km and Vmax values were 1.77 mg/mL and 0.0263 U/mg protein, respectively, using potato starch as substrate.

Ciclodextrina glicosiltransferase (EC 2.4.1.19) é uma enzima que produz ciclodextrinas a partir de amido via transglicosilação intramolecular. Uma cepa de Bacillus alcalofílico, isolada de cascas de mandioca, foi identificada como Bacillus licheniformis. A produção de CGTase por esta cepa foi melhor quando amido de batata foi utilizado como fonte de carbono, seguido por amido de mandioca e amilopectina. Glicose e amilose, por outro lado, atuaram como repressor de síntese desta enzima. Quando o cultivo foi suplementado com íons sódio e teve o pH ajustado entre 6,0 e 9,0, o microrganismo manteve a capacidade de crescimento e de produção da enzima. Este dado é interessante pois contraria o conceito de que microrganismos alcalofílicos não apresentam crescimento nesta faixa de pH. Após ultrafiltração-centrifugação, uma proteína de 85,2 kDa com atividade de CGTase foi isolada. Esta proteína foi identificada em placas contendo amido e fenolftaleína. A determinação da temperatura ótima mostrou atividades mais elevadas em 25ºC e 55ºC, indicando a possível presença de mais de uma CGTase no filtrado de cultura. Valores de Km e Vmax foram 1,77 mg/mL e 0,0263 U/mg proteína, respectivamente, usando amido de batata como substrato.

Production of glucosyltransferase by Erwinia sp. using experimental design and response surface methodology

Glucosyltransferase produced by strain Erwinia sp. is an intracellular enzyme that catalyzes the formation of isomaltulose from sucrose. Isomaltulose is a non-cariogenic reducing dissacharide commercially used in foods. Response surface methodology and 2³-factorial central composite design were employed to optimize a fermentation medium for the production of glucosyltransferase by Erwinia sp. in shaken flasks at 200 rpm and 30ºC. The three variables involved in this study were sugar cane molasses (SCM), corn steep liquor (CSL) and yeast extract Prodex Lac SD (YEP). The statistical analysis of the results showed that, in the range studied, all the factors had a significant effect on glucosyltransferase production and the optimum medium composition for enzyme production was (in g l-1) SCM-100, CSL-60 and YEP-8, which lead to a glucosyltransferase activity of 6.65 U mL-1.

A glicosiltransferase obtida pela linhagem Erwinia sp. é uma enzima intracelular que catalisa a conversão de sacarose em isomaltulose. A isomaltulose é um dissacarídeo redutor, não cariogênico e comercialmente utilizado em alimentos como substituto da sacarose. A metodologia de superfície de resposta e planejamento fatorial composto central-2³ foram utilizados para otimizar o meio de cultivo para a produção de glicosiltransferase de Erwinia sp. em frascos sob agitação a 200 rpm e 30ºC. As três variáveis independentes envolvidas no estudo foram o melaço de cana de açúcar, a água de maceração de milho e o extrato de levedura Prodex Lac SD. As análises estatísticas dos resultados mostraram que, dentro da faixa estudada das concentrações dos componentes de meio de cultivo, todas as variáveis apresentaram efeito significativo na produção de glicosiltransferase. O meio de cultivo otimizado foi composto de 100 gL-1 de melaço de cana de açúcar, 60 gL-1 de água de maceração de milho e 8 gL-1 de extrato de levedura Prodex Lac SD, apresentando atividade de glicosiltransferase de 6.65 U mL-1.