Abstract:
O presente trabalho avaliou, na etapa experimental, um processo simultâneo de catálise e
fermentação láctica visando obter um iogurte com potenciais características nutracêuticas e,
na sua etapa teórica, estabeleceu uma interlocução entre a vivência experimentalista e a teoria
da cinética enzimática, no que se refere à conversão da lactose e à síntese de galactooligossacarídeos
(GOS). Na abordagem experimental, para um substrato específico, avaliouse
biocatálise conduzida simultaneamente à fermentação, defasando a adição da enzima em
relação ao início do processo fermentativo. A fermentação foi realizada a partir de cultura
láctica liofilizada comercial contendo dois micro-organismos probióticos, Bifidobacterium
animalis e Lactobacillus acidophilus, associados aos micro-organismos característicos do
iogurte, Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus. Foi utilizado um preparado
enzimático contendo -galactosidases obtidas de duas origens distintas: Kluyveromyces lactis
e Aspergillus niger. Foram avaliados os efeitos da concentração da enzima e do tempo de
adição da enzima em um planejamento experimental 2
2
. As respostas foram às concentrações,
ao final do processo, de lactose, de GOS, de glicose e de galactose e a hidrólise dos galactooligossacarídeos
ao longo do tempo. No que se refere à abordagem teórica, o presente
trabalho considerou modelos matemáticos de hidrólise de dissacarídeos e conversão da
lactose, em que a inibição foi representada a partir do incremento da concentração dos
produtos da reação. No que se refere à conversão da lactose e síntese de GOS, o presente
trabalho buscou estabelecer um modelo matemático em que a inibição ocorreu por efeito do
incremento das concentrações de glicose e de galactose, comparando-o com os modelos
conhecidos na literatura. Verificou-se que o desempenho do modelo obtido no presente
trabalho foi robusto em relação às premissas estabelecidas. Na comparação com resultados
experimentais de conversão enzimática, o modelo mostrou-se capaz de minimizar o erro e de
ajustar-se aos dados experimentais.
This study evaluated in the experimental stage, a simultaneous process of catalysis and lactic
fermentation in order to obtain a yogurt with potential nutraceutical characteristics and, in its
theoretical stage, established a dialogue between the living and the experimentalist theory of
enzyme kinetics, regarding the conversion of the synthesis of lactose and
galactooligosaccharides (GOS). In the experimental approach to a specific substrate, it was
assessed bio-catalysis conducted simultaneously with the fermentation lagged the addition of
the enzyme relative to the beginning of the fermentation process. The fermentation was
performed using commercial lyophilized lactic culture containing two probiotic
microorganisms, Lactobacillus acidophilus and Bifidobacterium animalis, associated with
characteristic yogurt microorganisms, Lactobacillus bulgaricus and Streptococcus
thermophilus. It was used an enzyme preparation containing β-galactosidase obtained from
two different sources: Kluyveromyces lactis and Aspergillus niger. The effect of enzyme
concentration and the time of adding the enzyme to an experimental design of 2
2 were
evaluated. The responses were to the concentrations, at the end of the process, lactose, GOS,
glucose and galactose, and the hydrolysis of galactooligosaccharides over time. Regarding the
theoretical approach this study considered mathematical models of hydrolysis of
disaccharides, as well as conversion of lactose in the inhibition was represented in the
increase of the concentration of reaction products. With regard to the conversion of lactose
and GOS synthesis, this study aimed to establish a mathematical model in which the
inhibition occurred as a result of glucose and galactose increase, comparing it with models
from the literature. It was found that the performance of the model obtained in this study was
robust in relation to the premises established. In comparison with experimental results of
enzymatic conversion, the model proved to be able to minimize the error and to adjust to
experimental data.
Em bioprocesso simultâneo conduzido a partir de micro-organismos probióticos e
através da adição de enzimas -galactosidases, aplicadas com defasagem no tempo em relação
ao início da fermentação, avaliou-se a conversão da lactose e a formação de galactooligossacarídeos
(GOS). A fermentação foi conduzida a partir de cultura láctica contendo dois
micro-organismos probióticos, Bifidobacterium animalis e Lactobacillus acidophilus,
associados aos micro-organismos característicos de um iogurte, Lactobacillus bulgaricus e
Streptococcus thermophilus. Foi utilizado um preparado enzimático contendo -
galactosidases de origens distintas, obtidas de Kluyveromyces lactis e de Aspergillus niger. O
bioprocesso simultâneo defasado (BSD) foi conduzido fixando a concentração inicial de
lactose e variando a concentração de enzima e o seu tempo de adição em relação ao início da
fermentação, caracterizando uma defasagem na aplicação da enzima com respeito à adição da
cultura lática. Os resultados indicaram um impacto positivo do BSD na obtenção de GOS,
demonstrando que o aumento do tempo de defasagem na aplicação da enzima contribuiu para
maximizar essa resposta, atingindo 4,9 g.L-1
, e para minimizar a tendência da -galactosidase
hidrolisar esses carboidratos ao longo do processo. Com respeito à concentração de lactose, o
efeito do BSD foi negativo e indicou que a redução no tempo de contato da enzima implicou
na menor redução do teor deste carboidrato (31,9%).
Os processos enzimáticos que seguem o modelo cinético clássico de MichaelisMenten
foram estudados a partir de diferentes propostas para descrever a etapa de inibição.
As propostas de inibição foram comparadas a partir de um processo genérico, onde as
constantes cinéticas receberam valores unitários e o valor numérico da concentração de
substrato foi superior em dez (10) vezes ao valor numérico da concentração de enzima. Para
cada proposta de modelo de inibição foram obtidas soluções numéricas a partir de sistema não
linear de equações diferenciais ordinárias, gerando gráficos que apresentaram a variação da
enzima e dos complexos enzimáticos e a variação do substrato e do produto da reação. Foi
desenvolvido um modelo com desempenho indicando comportamento similar ao verificado
no modelo clássico de Michaelis-Menten, onde o complexo de reação é rapidamente formado
e, ao longo do processo, decai até tender à zero. Na nova proposta de modelo, o efeito de
inibição começa em zero e, ao longo do processo, tende ao valor nominal da concentração
inicial da enzima. Tais respostas mostraram-se válidas para valores distintos de concentração
de enzima e de tempo de processo, mostrando robustez. O modelo proposto foi aplicado para
a hidrólise de dissacarídeos, propiciando um ajuste com conservação de massa do modelo ao
final do processo no que se refere às respostas de concentração dos carboidratos.
O presente trabalho avaliou as propostas de modelos matemáticos para conversão
da lactose e síntese de galacto-oligossacarídeos (GOS) a partir da enzima -galactosidase,
comparando propostas da literatura que apresentaram soluções sem inibição enzimática, com
inibição pela galactose e com inibição pela glicose, para desenvolver e propor um novo
modelo baseado na cinética de Michaelis-Menten. Foram comparados processos genéricos
em que o valor numérico da concentração do substrato foi representado como sendo superior
em dez (10) vezes ao valor numérico da concentração da enzima e as constantes cinéticas
receberam, inicialmente, um valor numérico unitário. Na sequência foram avaliadas situações
com alteração nas taxas cinéticas e variação nos valores numéricos da concentração de
enzima. O novo modelo proposto é representativo de um processo de inibição reversível
tendo a glicose e a galactose como substâncias inibidoras. O mecanismo geral de inibição
proposto teve seu desempenho comparado com modelos disponíveis na literatura. Os
resultados indicaram que o novo modelo cinético teve desempenho robusto.
O presente trabalho avaliou a aplicação de novo modelo matemático para
representar a conversão da lactose e síntese de galacto-oligossacarídeos (GOS), a partir da
enzima -galactosidase. O novo modelo, baseado na cinética de Michaelis-Menten, pressupõe
que o efeito de inibição enzimática ocorra devido ao incremento da concentração de produtos
da própria reação. O novo modelo proposto é representativo de um processo de inibição
reversível tendo a glicose e a galactose como substâncias inibidoras. Na comparação do
modelo aos valores experimentais, observou-se que o ajuste para galacto-oligossacarídeos,
para a lactose, para a glicose e para a galactose propiciou que a média do somatório dos erros
quadráticos (SME) variasse entre 0,11 e 0,80%, em processos com erro do modelo nulo ao
final do processamento. Os valores do somatório da média dos erros quadráticos indicaram
que o ajuste do modelo aos dados experimentais foi tanto melhor quanto maior a concentração
inicial de enzima, menor a concentração inicial de substrato e menor a temperatura da catálise
enzimática.
