Desarrollo de biocatalizadores inmovilizados y su aplicación en la industria alimentaria y ambiental

Abstract

La tecnología enzimática es un pilar fundamental de la biotecnología industrial, su propósito es el diseño y desarrollo de nuevos productos y procesos en un marco de sustentabilidad, partiendo de la aplicación de enzimas como agentes catalíticos, aplicados en diversos procesos industriales del sector energético, textil, farmacéutico y los diferentes segmentos de la industria de alimentos. En este sentido, la inmovilización enzimática se basa en asociar el biocatalizador a un soporte o matriz insoluble para obtener un sistema heterogéneo de reacción y que el biocatalizador pueda ser reusado en reacciones sucesivas bajo condiciones fisicoquímicas que le preserven la estabilidad. En el presente trabajo se propone el desarrollo de un biocatalizador inmovilizado con actividad poligalacturonasa para su utilización en industria de alimentos para la clarificación de jugos de fruta y en procesos de remediación ambiental para la degradación de subproductos frutihortículas. El diseño del bioproceso incluyó la selección del microorganismo con mayor actividad enzimática, la optimización de las condiciones de fermentación y formulación de medio de cultivo, la inmovilización enzimática que permitiera máxima actividad y estabilidad catalítica y el diseño del biorreactor para su aplicación en clarificación de jugos y tratamiento de residuos. Mediante técnicas de screening de diferentes cepas bacterianas, se seleccionó a Streptomyces halstedii ATCC 10897 por su elevada producción extracelular de la enzima de interés. El cultivo celular a escala de matraz se optimizó en cuanto a condiciones de pH, agitación, temperatura y condiciones nutricionales, específicamente de fuente de carbono y nitrógeno orgánico. La productividad del cultivo permitió cosechar a tiempos cortos, se propuso una ruta de recuperación y purificación de la proteína mediante técnicas de precipitación por salado y ultrafiltración, el estudio de las características bioquímicas de la poligalacturonasa sugiere una estructura monomérica con peso molecular aproximado de 48 kDa, características de estabilidad a diferentes condiciones térmicas y en un amplio rango de pH en la región alcalina, así como tolerancia a solventes orgánicos y estrés iónico. La inmovilización enzimática por unión covalente al soporte glioxil-agarosa, permitió obtener un biocatalizador que permitió altos rendimientos en la reacción y con elevada estabilidad. El atrapamiento de la poligalacturonasa en matrices poliméricas resultó en un biocatalizador con mejores propiedades cinéticas. Se diseñó un biorreactor de lecho percolado empacado con el biocatalizador heterogéneo inmovilizado en partículas de agar bacteriológico, se determinaron mínimas barreras difusionales para la reacción en el biorreactor y éste fue aplicado para la hidrólisis de pectina presente en residuos frutihortícolas. Finalmente, en el presente trabajo se propone un diseño de un bioproceso para el desarrollo de biocatalizadores con actividad poligalacturonasa para la hidrólisis enzimática de compuestos pécticos y su aplicación en procesos de industria alimentaria y ambiental.

Enzymatic technology plays a key role in Industrial Biotechnology. The aim of this technology is to design and develop new products and sustainable processes using enzymes as biocatalyst in several industrial processes such as energetics, textile, pharmaceutical and in different sections of food industry. In this sense, enzymatic immobilization is based on the association of biocatalyst to a support or an insoluble matrix to obtain an heterogeneous reaction system. This allows the biocatalyst to be reused in successive reactions under physicochemical conditions that preserved stability. In the present work, the development of an immobilized biocatalyst with polygalacturonase activity is proposed to be used in food industry for clarification of fruit juices and in environmental processes of remediation for degradation of agro-wastes. The design of the bioprocess included the selection of microorganism with the best enzymatic activity, optimization of fermentation conditions, culture medium formulation and enzymatic immobilization that allows maximum activity and catalytic stability. Finally, a bioreactor to be applied in juice clarification and in wastes treatment was designed. By screening techniques of different bacterial strains, Streptomyces halstedii ATCC 10897 was selected due to the high extracellular production of the interest enzyme. Cell culture conditions in a flask scale were optimized such as pH, agitation, temperature and nutritional conditions, specially the organic carbon and nitrogen source. Culture productivity permitted to harvest at short times, a route for recovery and purification of the enzymes protein was proposed by precipitation with salts and ultrafiltration techniques. The study of the biochemical characteristics of polygalacturonase suggested a monomeric structure of 48 KDa, stability at different temperature conditions and in wide range of alkaline pH, tolerance to organic solvents and ionic stress. While enzymatic immobilization by covalent attachment to the glyoxyl-agarose support allowed the obtention of a stable biocatalyst with high conversion yields, immobilization by entrapment in polymeric matrices resulted in a biocatalyst with better kinetic properties. A trickle bed bioreactor was designed and the bed was packed with the heterogeneous biocatalyst immobilized in bacteriological agar particles. Minimal diffusional barriers were determined for the reaction in the bioreactor and it was applied for the hydrolysis of pectin present vegetable residues. Finally, in this work the design of a bioprocess for the development of a biocatalyst with polygalacturonase activity for enzymatic hydrolysis of pectin compounds was proposed and the application to food industry and environmental processes.