Conversão da lactose e síntese de galacto-oligossacarídeos: uma abordagem experimental e teórica

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.