PURIFICAÇÃO DE LIPASE DA AMÊNDOA DO PEQUI (Caryocar brasiliense Camb.) A PARTIR DE SISTEMAS AQUOSOS BIFÁSICOS
ISBN 978-85-85905-25-5
Área
Alimentos
Autores
Nascimento, P.A. (UESB) ; Alves, A.N. (UESB) ; Santos, K.A. (UESB) ; Gandolfi, O.R.R. (UESB) ; Santos, M.P.F. (UESB) ; Sousa, L.S. (UESB) ; Oliveira, A.C.J. (UESB) ; Bonomo, R.C.F. (UESB)
Resumo
O interesse industrial por tecnologias envolvendo a utilização de enzimas tem ganhado cada vez mais espaço ao longo dos últimos anos, onde as lipases estão entre as três enzimas mais vendidas no mundo devido às suas múltiplas aplicações. Dentro desse contexto, o trabalho em questão teve por objetivo avaliar o particionamento da lipase extraída da amêndoa do pequi em sistemas aquosos bifásicos. Foram realizados ensaios em sistema PEG-Sulfato de amônio nas temperaturas de 25 e 35ºC contendo amostras do extrato enzimático bruto e do precipitado proveniente da precipitação prévia por sulfato de amônio, onde o teste F demonstrou que o sistema PEG 4000-Sulfato de amônio a 35ºC (precipitado) é o melhor protocolo inicial de purificação dentro das condições estudadas.
Palavras chaves
Enzimas; extração líquido-líquido; particionamento
Introdução
As lipases (triacilglicerol hidrolases (E.C. 3.1.1.3)), enzimas pertencentes ao grupo das hidrolases, possuem como principal função biológica a catalisação de reações hidrólise, esterificação e transesterificação (LOPES et al., 2011). Em geral, não necessitam de cofatores, atuam em ampla faixa de pH e são estáveis em altas temperaturas. Além disso, possuem elevada especificidade e seletividade, características que tornam as lipases o terceiro maior grupo de vendas do mundo, devido às suas múltiplas aplicações na indústria, como em detergentes, medicamentos, alimentos, têxteis e tratamento de efluentes (ANDUALEMA e GESSESSE, 2012; REINEHR et al., 2014). Tais enzimas podem ser encontradas em vegetais, animais e microrganismos, onde a principal fonte para aplicação comercial é a microbiana, por ser considerada mais estável e apresentar maior facilidade em aumento de escala. No entanto, o tempo e o número de operações unitárias elevados destinados ao isolamento e purificação de biocatalisadores provenientes de microrganismos e animais podem restringir sua utilização (MESSIAS et al., 2011; ALVES et al., 2017). Em contrapartida, as lipases de origem vegetal apresentam a possibilidade de obtenção a partir de fontes renováveis, além de conter etapas de extração e purificação realizadas por técnicas simples e de baixo custo, podendo se tornar uma alternativa para a indústria (KAPOOR e GUPTA, 2012). Dentre as enzimas lipolíticas produzidas a partir de vegetais, uma fonte em potencial a ser estudada é a amêndoa do pequi. O pequi (Caryocar brasiliense Camb.) é amplamente encontrado no cerrado brasileiro, segundo maior bioma da América do Sul, que ocupa aproximadamente 2 milhões de km2 do território nacional. No ano de 2016, mais de 20 mil toneladas do fruto foram produzidas no país, indicando o mesmo como uma importante opção de renda e alimentação para as populações residentes nas regiões extrativistas (AMORIM et al., 2016; LEÃO et al., 2017; LEÃO et al., 2018). O pequi é composto por amêndoa, polpa, espinhos e casca, onde as fontes alimentares estão concentradas nos dois primeiros componentes estruturais, que podem ser utilizados industrialmente ou na culinária (OLIVEIRA et al., 2008). A amêndoa é uma oleaginosa encontrada no interior do pequi ainda pouco explorada comercialmente. Por ser rica em lipídeos, o que lhe confere grande valor nutritivo, acredita-se na possibilidade de obtenção de uma fonte importante para produção de lipase, enzima de forte interesse para a indústria de alimentos. Um dado consistente que ajuda a reforçar essa expectativa é sua estimativa do teor de proteínas, variando entre 24 e 54%, sendo considerado o mais alto em toda a estrutura do fruto (SANTOS et al., 2013; CARDOSO et al., 2019). O processo de purificação de um bioproduto representa grande parte dos custos totais de produção, principalmente quando se deseja obter elevado grau de pureza – como ocorre com as enzimas. Sendo assim, faz-se necessário o estabelecimento de técnicas que sejam, ao mesmo tempo, efetivas e econômicas em sua aplicação em larga escala, sem que a atividade biológica da molécula seja perdida. Uma técnica que apresenta tais características de forma conveniente é a partição em sistemas aquosos bifásicos – os SABs (SANTOS et al., 2014). O Sistema Aquoso Bifásico é um processo composto por duas fases líquidas imiscíveis com diferença de densidade entre si, onde a extração ocorre a partir da transferência de massa do soluto entre uma fase e outra devido à sua afinidade por uma das fases. A principal característica desse sistema é que ambas as fases são predominantemente aquosas (SOUZA et al., 2015). Os SABs apresentam diversas vantagens, como o rápido equilíbrio de fases e transferência de massa, a possibilidade de reciclagem das fases e a boa reprodutibilidade, embora ainda possuam uma grande desvantagem que é o custo elevado de alguns reagentes químicos a serem usados na partição. Costumam ser muito aplicados em etapas iniciais de particionamento de enzimas, mas em alguns casos podem até mesmo substituir os clássicos sistemas cromatográficos (CAVALCANTI et al., 2006; BARBOSA et al., 2011). O processo de purificação da lipase a partir da amêndoa do pequi ainda não foi documentado na literatura. Dessa forma, o trabalho em questão teve por objetivo avaliar o particionamento da lipase presente na amêndoa do pequi em sistema aquoso bifásico composto por PEG, sulfato de amônio e água.
Material e métodos
Partição da lipase A lipase previamente extraída da amêndoa do pequi foi submetida à técnica de purificação utilizando sistemas aquosos bifásicos (SAB). Foi avaliado a purificação em SAB da lipase obtida do extrato bruto enzimático e do precipitado resultante da pré-purificação a partir da utilização de uma solução de sulfato de amônio concentrado, em diferentes temperaturas T = (25 e 35) °C. Os sistemas utilizados na purificação foram compostos de 20% de PEG 4000 e 17,5% de sulfato de amônio de acordo com dados de equilíbrio obtidos a partir dos trabalhos de Coelho et al. (2013) e González-Amado et al. (2016). Utilizou-se um delineamento inteiramente casualizado (DIC) com três repetições. A análise estatística dos resultados foi realizada através do teste F, na análise de variância (ANOVA). Para realizar a partição foram utilizadas quantidades adequadas de solução estoque de PEG + sulfato de amônio + água com posterior adição do extrato enzimático (1,151 g), para uma massa total de 5 g, em tubos de centrífuga cônico. Os tubos foram misturados e centrifugados a 2000 g por 10 minutos. Em seguida, os sistemas foram mantidos em repouso por 12 horas em estufa B.O.D na condição de pH e temperatura determinada. Após os sistemas atingirem o equilíbrio, as fases foram coletadas e separadas, para posterior determinação do teor de proteína total e da atividade enzimática. A quantificação de proteínas totais no extrato enzimático foi realizada de acordo com o método de Bradford (BRADFORD, 1976), utilizando espectrofotômetro com comprimento de onda fixado em 595 nm. A curva analítica foi construída utilizando como padrão a proteína Albumina do Soro Bovino (BSA). A atividade enzimática foi determinada conforme Yang et al. (2002) com modificações, utilizando o substrato sintético p-nitrofenil palmitato (p-NPP), com leitura de absorbância em espectrofotômetro a 410 nm. A curva padrão foi construída utilizando o p-nitrofenol. Determinação dos parâmetros de partição O coeficiente de partição de atividade enzimática (Ke) foi calculado como sendo a relação da atividade enzimática (U/mL) nas fases superior (Usup) pela atividade enzimática na fase inferior (Uinf) do sistema. O coeficiente de partição de proteína (Kp) foi determinado pela relação entre a concentração de equilíbrio de proteína total (mg/mL) na fase superior (Csup) pela inferior (Cinf). Para que seja possível selecionar o SAB com melhor capacidade de extração da proteína estudada, calculou-se a recuperação teórica (Y%) do sistema, utilizando a equação: Y(%)=100/(1+(1/R Ke)) Onde R corresponde à razão entre os volumes da fase superior e inferior e Ke corresponde ao coeficiente de partição de atividade da lipase.
Resultado e discussão
Foram realizados experimentos de partição da lipase em sistemas aquosos
bifásicos compostos por PEG 4000 + Sulfato de amônio + água para as temperaturas
de 25 e 35ºC. Os resultados dos coeficientes de partição de proteínas
(Kp) e de atividade enzimática (Ke) e da recuperação
teórica (%Y) foram analisados estatisticamente através do teste F, na análise de
variância (ANOVA), apresentando efeito significativo (P<0,05) para a interação
entre temperatura e tipo de sistema, bem como o desdobramento da influência da
temperatura no tipo de sistema e do tipo de sistema na temperatura para as três
variáveis resposta (Tabela 1).
O teste F indicou que a variação de temperatura influenciou o sistema
PEG-Sulfato de amônio tanto para Ke quanto para Kp, onde a
temperatura de 35ºC alcançou os valores mais altos. Em contrapartida, é possível
apontar influência significativa do tipo de sistema apenas na temperatura de
35ºC, onde o sistema PEG-Sulfato de amônio com precipitação prévia apresentou
maior coeficiente de partição de atividade enzimática. O coeficiente de partição
de proteínas também obteve efeito significativo da temperatura, diferenciando-
se, no entanto, na ausência de significância entre precipitado e extrato bruto.
Ou seja, para o Kp, a etapa de pré-purificação não afetou a
eficiência do particionamento dentro dos sistemas.
Os coeficientes reportaram valores menores que 1 à temperatura ambiente,
o que indica migração preferencial das moléculas para a fase inferior rica em
sal. Experimentalmente, observou-se a formação visual de um precipitado na
interface ao final do particionamento, propondo que a lipase não obteve
afinidade por nenhuma das fases. Tal resultado pode ser elucidado pelo fato de
que essas enzimas atuam pelo mecanismo de ativação interfacial, apresentando um
aumento da atividade catalítica na presença de substâncias hidrofóbicas
dispersas em fase aquosa (BARROS et al, 2010; MENDES et al., 2012). De acordo
com Borrelli e Trono (2015), as lipases possuem uma “tampa” de oligopeptídeos
que cobre o sítio ativo e o isola do meio reacional, o que manterá sua
conformação fechada na ausência de uma interface hidrofóbica – fenômeno
observado no presente experimento para a fase composta por sulfato de amônio,
considerando seu caráter hidrofílico. Além disso, a fase salina ainda conta com
o efeito salting out para retirar o biocatalizador de seu meio, onde as
moléculas de água tendem a solvatar os íons presentes em excesso, e assim, a
água de solvatação da proteína é removida (GHOSH, 2006).
Por outro lado, apesar do polietilenoglicol possuir caráter mais hidrofóbico
(elevada cadeia carbônica), o mesmo se encontra em conformação estável à
temperatura ambiente e o particionamento para essa fase é desfavorecido devido
ao efeito do volume de exclusão. Sob essa circunstância, PEG e lipase irão
competir pelos espaços intersticiais em virtude da extensa massa molar do
polímero, ocasionando no que é conhecido por impedimento estérico e expulsando a
enzima da fase (NELSON e COX, 2006; RAMAKRISHNAN et al., 2016).
O SAB composto por PEG e Sulfato de amônio na temperatura de 35ºC
estabeleceu coeficientes com valor superior a 1 – preferência pela fase superior
rica em polímero –, onde o Ke para esse sistema que passou por
precipitação com Sulfato de amônio previamente foi o mais alto de todo o
experimento: 3,104. O comportamento em questão também é observado em Zhang e Liu
(2010) e Khayati e Alizadeh (2013), que utilizaram sistemas formados por PEG
4000 e Fosfato de potássio ou Oxalato de potássio, respectivamente. A afinidade
entre a lipase e a fase observada nessas condições pode ser explicada pelo
efeito do aumento da temperatura na cadeia polimérica. À medida que o meio
reacional é aquecido, a estrutura do polietilenoglicol se alonga expondo
cavidades presentes na molécula, o que promoverá o acesso da lipase à fase,
considerando sua preferência pelo constituinte de caráter mais hidrofóbico, e o
efeito do volume de exclusão não será tão relevante para o processo (MAZZEU et
al., 2015; SHOW et al., 2015).
No que se diz respeito à recuperação teórica, o teste F evidenciou que
as duas temperaturas tiveram efeito significativo no tipo de sistema,
destacando-se a superioridade da temperatura de 35ºC, e que os dois sistemas
tiveram efeito dentro das temperaturas, sendo o melhor rendimento observado para
25ºC utilizando o sistema com amostras do extrato bruto e para 35ºC aplicando o
sistema contendo o precipitado.
O presente trabalho demonstrou valores distintos para o fator
recuperação teórica, que é dependente das condições do meio e da afinidade da
lipase por uma das fases. O valor de %Y abaixo do esperado encontrado para
alguns desses sistemas pode ser explicado pela distribuição das proteínas na
interface, devido à influência dos efeitos salting out, das propriedades
interfaciais da proteína e/ou volume de exclusão. No entanto, o sistema PEG-
Sulfato de amônio (precipitado) a 35ºC alcançou o rendimento (%Y) máximo de
70,121%, que pode ser considerado satisfatório para sistemas aquosos bifásicos.
As variações nesse parâmetro também podem ser observadas na literatura, como por
exemplo em Barbosa et al. (2011), que apresentou 90,15% de recuperação teórica
em um sistema PEG 4000-Fosfato de potássio. Já Nandini e Rastogi (2011)
atingiram 28,44% no sistema composto por PEG 6000 e Sulfato de amônio, e Souza
et al. (2010) obteve 69,41% para o sistema PEG 1500-Fosfato de potássio.
Dentro desse contexto, conclui-se que a utilização do sistema composto
por PEG e Sulfato de amônio na temperatura de 35ºC antecedido de etapa de
clarificação através da precipitação por Sulfato de amônio é o melhor protocolo
inicial de purificação da lipase extraída da amêndoa do pequi dentro das
condições estudadas. No entanto, acredita-se que o sistema aquoso bifásico sob
tais condições serviu como um método de concentração da lipase, fazendo-se
necessária a adição de uma técnica sequencial de alta resolução ou a manipulação
dos parâmetros dos SABs estudados a fim de aumentar a eficiência do processo
(COELHO et al., 2013).
Comparação entre médias para os parâmetros de partição em sistemas formados por PEG 4000 + Sulfato de amônio + água nas temperaturas de 25 e 35ºC.
Conclusões
A partição da lipase em sistemas aquosos bifásicos foi avaliada através do sistema PEG 4000-Sulfato de amônio nas temperaturas de 25ºC e 35ºC, onde uma parte do extrato foi aplicada diretamente nos sistemas, denominada como extrato bruto, e a outra parte foi previamente submetida à etapa de precipitação por sulfato de amônio, denominada como precipitado. O teste F demonstrou efeito significativo para a interação entre temperatura e tipo de sistema, bem como o desdobramento da influência da temperatura no tipo de sistema e do tipo de sistema na temperatura para as três variáveis resposta. Dessa forma, foi possível observar que o sistema composto por PEG e Sulfato de amônio na temperatura de 35ºC antecedido de etapa de clarificação através da precipitação por Sulfato de amônio obteve os melhores resultados para os coeficiente de partição de atividade enzimática (Ke) e de proteínas (Ke) e recuperação teórica (%Y), podendo ser considerado o melhor protocolo inicial de purificação da lipase extraída da amêndoa do pequi dentro das condições trabalhadas. No entanto, acredita-se que o sistema aquoso bifásico sob tais condições serviu como um método de concentração da lipase, fazendo-se necessária a adição de uma técnica sequencial de alta resolução ou a manipulação dos parâmetros dos SABs estudados a fim de aumentar a eficiência do processo.
Agradecimentos
À Fundação de Amparo à Pesquisa do estado da Bahia pelo apoio financeiro, tornando possível a dedicação necessária para que o presente trabalho fosse desenvolvido.
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