Publicado
Immobilization of bromelain on cobalt-iron magnetic nanoparticles (CoFe2O4) for casein hydrolysis
Inmovilización de bromelina sobre nanopartículas magnéticas de cobalto-hierro (CoFe2O4) para la hidrólisis de caseína
Inmovilización de bromelina sobre nanopartículas magnéticas de cobalto-hierro (CoFe2O4) para a hidrólise de caseína
DOI:
https://doi.org/10.15446/rev.colomb.quim.v1n49.69474Palabras clave:
immobilization, enzyme, casein, recycling, hydrolysis, voltammetry (en)inmovilización, enzima, caseína, reutilización, hidrólisis, voltametría (es)
enzima imobilizada, caseína, reutilização, hidrolises, voltametria (pt)
Descargas
By means of recycling an enzyme, bromelain was used in casein hydrolysis facilitated by a nanobiocatalyst consisting of bromelain, CoFe2O4 magnetic nanoparticles, chitosan, and glutaraldehyde. Bromelain was immobilized on the chitosan cobalt-magnetite nanoparticle surface via covalent bonds to form the nanobiocatalyst. Immobilized bromelain showed 77% immobilization binding, retaining 85 ± 2% of the initial catalytic activity. Nanoparticles and immobilized bromelain were characterized using UV-Vis and IR spectroscopies, X-ray, square wave voltammetry (SWV), cyclic voltammetry (CV), vibrating-sample magnetization (VSM), and transmission electron microscope (TEM). The Michaelis-Menten constant (KM) and VMAX of the free and immobilized enzyme were calculated: KM = 2.1 ± 0.18 mM and 1.8 mM, respectively and VMAX = 6.08 x 10-2 ± 2.1 x 10-2 U/min and 6.46 ± 0.91 U/min, respectively. The thermal stability of the free enzyme was higher than the immobilized enzyme: 95-98% and 83-87%, respectively. An optimum pH of 6 and a temperature of 20 °C were determined in both cases. Immobilized bromelain maintained 50% of the initial catalytic activity after the fifth use. The immobilized bromelain proved to be effective and reusable for casein hydrolysis. As novel contribution the characterization by VOC and CV was carried out.
Se investigó la reutilización de la bromelina inmovilizada sobre nanopartículas magnéticas de CoFe2O4 para la hidrólisis de caseína. La inmovilización se efectuó covalentemente en un catalizador de nanopartículas de hierro y cobalto recubiertas con quitosano, glutaraldehído y bromelina. La bromelina alcanzó un máximo de inmovilización del 77%, conservando el 85 ± 2% de su actividad catalítica inicial a los 30 min. La caracterización del catalizador se realizó por espectrofotometría IR y UV-Vis, microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X, voltametría de onda cuadrada (VOC), voltametría cíclica (VC) y magnetización de muestra vibrante (VSM). Los parámetros cinéticos KM y VMAX de la enzima libre e inmovilizada fueron: KM = 2,1 ± 0,18 mM y 1,8 ± 0,16 mM, respectivamente y VMAX = 6,08 x 10-2 ± 2,1 x 10-2 U/min y 6,46 ± 0,91 U/min, respectivamente. La estabilidad térmica de la enzima libre fue mayor que la de enzima inmovilizada: 95-98% y 83-87%, respectivamente. Se determinó un pH óptimo de 6 y temperatura de 20 °C en ambos casos. La bromelina inmovilizada mantuvo el 50% de su actividad catalítica hasta el quinto uso. Como aporte novedoso se realizó, en este estudio se realizó la caracterización por VOC y VC.
Foi estudado o reuso da enzima bromelina imobilizada sobre nano partículas magnéticas de CoFe2O4, para a hidrólise de caseína. A imobilização efetuou-se covalentemente em um catalisador de nano partículas de cobalto e ferro recobertas com quitosano, glutaraldehido e bromelina. A bromelina atingiu seu máximo de imobilização do 77% aos 30 minutos, conservando o 85 ± 2% da sua atividade catalítica inicial. A caraterização foi feita mediante espectrofotometria IV e UV-Vis, microscopia eletrônica de transmissão (TEM), difração de raios X, voltametria de onda quadrada (VOQ), voltametria cíclica (VC) e por magnetização de amostra vibrante (VSM). Os parâmetros cinéticos KM e VMAX da enzima livre e imobilizada foram KM = 2,1 ± 0,18 mM e 1,8 8 ± 0,16mM, respeitivamente; VMAX = 6,08 x 10-2 ± 2,1 x 10-2 U/ min e 6,46 ± 0,91 U/min, respectivamente. A estabilidade térmica da enzima livre (95-98%) foi maior do que a estabilidade da enzima imobilizada (83-87%), determinou-se um pH óptimo de 6 e temperatura de 20 °C em ambos os casos. A bromelina imobilizada manteve o 50% de sua atividade catalítica até o quinto uso. Como aporte inovador neste estudo apresenta-se a caraterização por TOQ e VC.
Referencias
Z. Yifei, G. Jun and L. Zheng, “Enhanced activity of immobilized or chemically modified enzymes,” Catalysis, vol. 5, pp. 4503-4513, 2015. DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.5b00996.
A. Care, K. Petroll, E. S. Y. Gibson, P. L. Bergquist and A. Sunna, “Solid-binding peptides for immobilisation of thermostable enzymes to hydrolyse biomass polysaccharides,” Biotechnol. Biofuels, vol. 10, pp. 1–16, 2017. DOI: https://doi.org/10.1186/s13068-017-0715-2.
R. A. Sheldon and S. Van Pelt, “Enzyme immobilization in biocatalysis: why, what and how,”. Chem. Soc. Rev., vol. 42, pp. 2013. DOI: https://doi.org/10.1039/c3cs60075k.
R. Ahmad and M. Sardar, “Enzyme immobilization: An overview on nanoparticles as immobilization matrix,” Biochem. Anal. Biochem., vol. 4, pp. 178–185, 2015. DOI: https://doi.org/10.4172/2161-1009.1000178.
M. Hartmann, and X. Kostrov, “Immobilization of enzymes on porous silicas-benefits and challenges,” Chem. Soc. Rev., vol. 4, pp. 6277–6289, 2013. DOI: https://doi.org/10.1039/c3cs60021a. [6] E. P. Cipolatti, M. J. Silva, M. Klein, V. Feddern and M. M. C. Feltes, “Current status and trends in enzymatic nanoimmobilization,” J. Mol. Catal. B Enzym., vol. 99, pp. 56–67, 2014.
A. K. Johnson, A. M. Zawadzka, L. A. Deobald, R. L. Crawford, R. L. and A. J. Paszczynski, “Novel metthod for immobilization of enzymes to magnetic nanoparticles,” J. Nanopart. Res., vol. 10, pp. 1009–1025, 2008. DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-007-9332-5.
S. Akhtar, A. A. Khan, and Q. Husain, “Potential of immobilized bitter gourd (Momordica charantia) peroxidases in the decolorizatio and removal of textil dyes from polluted wastewater and dyeing effluente,” Chemosphere., vol. 60, pp. 291–301, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2004.12.017.
B. Issa, I. M. Obaidat, B. A. Albiss, Y. Haik, “Magnetic Nanoparticles: Surface effects and properties related to biomedicine applications,” Int. J. Mol. Sci., vol. 11, pp. 21266–21305, 2013. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms141121266.
A. G. Kolhatkar, A. C Jamison, D. Litvinov, R. C. Willson, and T. R. Lee, “Tuning the magnetic properties of nanoparticles,” Int. J. Mol. Sci., vol. 8, pp. 15977–16009, 2013. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms140815977.
R. S. Juang, F. C Wu and R. L. Tseng, “Use of chemically modified chitosan beads for soportion and enzyme immobilization,” Adv. Environ., vol. 6, pp. 171–177, 2002. DOI: https://doi.org/10.1016/s1093-0191(00)00078-2.
H. Chiriac, A. E. Moga and C. Gherasim, “Preparation and characterization of Co, Fe y Co-Fe magnetic nanoparticles,” Optoelectron Adv. Mater., vol. 10, no. 12, pp. 3492–3496, 2008.
X. Wenlei and J Wang, “Immobilized lipase on magnetic chitosan microspheres for transesterification of soybean oil,” Biomass Bioenergy., vol. 36, pp. 373–380, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.11.006.
D. Clavijo, M. C. Portilla Martinez and A. Quijano Parra, “Cinética de la bromelina obtenida a partir de la piña perolera (Ananas Comosus) de Lebrija-Santander,” Bistua: Revista de la Facultad de Ciencias Básicas, vol. 10, núm. 2, pp. 41-49, 2012
B. G. Blijenberg, H. A. Roetering, L. Zwang and B. Leijnse, “Spinal fluid protein revisited: a reappraisal of the biuret procedure,” J. Clin. Chem. Biochem., vol. 23, pp. 225–230, 1985. DOI: https://doi.org/10.1515/cclm.1985.23.4.225.
L. V. Madan, R. Chaudhary, T. Tsuzuki, C. J. Barrow and M. Puri, “Immobilization of β-glucosidase on a magnetic nanoparticle improves thermostability: Application in cellobiose hydrolysis,” Bioresour. Technol., vol. 135, pp. 2-6, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2013.01.047.
P. Weiss and R. Forrer, “Mean Magnetic Moments in bcc Fe–Co Alloys,” Ann. Phys. vol., 40, pp. 21371–1372, 1969. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1657673.
Z. Ma, Y. Guan and H. Liu, “Synthesis and characterization of micron-sized monodisperse superparamagnetic polymer particles with amino groups,” J. Polym. Sci. Part. A Polym. Chem., vol. 15, pp. 3433–3339, 2015. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1657673.
C. Pan, B. Hu, W. Li, Y. Sun, H. Ye and X. Zeng, “Novel and efficient method for immobilization and stabilization of β-Dgalactosidase by covalent attachment onto magnetic Fe3O4 chitosan nanoparticles,” J. Mol. Catal. B Enzym., vol. 61, pp. 208–215, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2009.07.003.
COMPTECH, “JCPDS database,” [Online] Available: http://comptech.compres.us/tools/jcpds/. [Accessed: june 10, 2017].
S. A. Lopez, A. Alatorre, S. Gutierrez, C. Ponce and F. C. Walsh, “Electrochemical study of Co(II)/Co (III) on different electrode materials for energy storage in redox flow cells,” Electrochem. Soc. Trans., vol. 20, pp. 237–247, 2009. DOI: https://doi.org/10.1149/1.3268391.
D. Jimin, L. Zhimin, W. Weize, L. Zhonghao and Y. H. Han, “Preparation of single-crystal copper ferrite nanorods and nanodisks,” Mater. Res., vol. 4, pp. 928– 929, DOI: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2005.03.002.
T. Yu-long, L. Chen-guang and Y. Le-jun, “Effect of linoleic-acid modified carboxymethyl chitosan on bromelain immobilization onto self-assembled nanoparticles,” Front. Mater. Sci., vol. 2, pp. 209–213, 2008. DOI: https://doi.org/10.1007/s11706-008-0035-3.
S. Yodoya, T. Takagi, M. Kurotani, T. Hayashi, M. Furuta, M. Oka and T. Hayashi, “Immobilization of bromelain onto porous copoly(γ-methyl-l-glutamate/l-leucine) beads,” Eur. Polym. J., vol. 1, pp. 173–180, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/s0014-3057(02)00192-1.
I. Benucci, M. Esti, K. Liburdi and A. M. V. Garzillo, “Pineapple stem bromelain immobilized on different supports: catalytic properties in model wine,” Biotechnol. Progress., vol. 6, pp. 1472–1477, 2012. DOI: https://doi.org/10.1002/btpr.1639.
M. Zappino, I. Cacciotti, I. Benucci, F. Nanni, K. Liburdi, F. Valentini and M. Esti, “Bromelain immobilization on microbial and animal source chitosan films, plasticized with glycerol, for application in wine-like medium: Microstructural, mechanical and catalytic characterisations,” Food Hydrocoll., vol. 45, pp. 41–47, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.11.001.
Y. Zhang, G. A. Shi and F. Zhao, “Hydrolysis of casein catalyzed by papain in n-propanol/NaCl two-phase system,” Enzyme Microb. Technol., vol 6, pp. 438–43, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.enzmictec.2010.01.003.
N. A. Yazid, R. A. Barrena and A. Sánchez, “The immobilization of proteases produced by SSF onto functionalized magnetic nanoparticles: Application in the hydrolysis of different protein sources,” J. Mol. Catal. B Enzym., vol. 133, pp. 230–242, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcatb.2017.01.009.
E. Bijl, H. van Valenberg, S. Sikkes, S. Jumelet, G. Sala, K. Olieman, T. van Hooijdonk, T. Huppertz, “Chymosin-induced hydrolysis of caseins: Influence of degree of phosphorylation of alpha-s1-casein and genetic variants of beta-casein,” Int. Dairy J., vol. 2, pp. 215–221, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.idairyj.2014.07.005.
D. H. Chen and S. Huang, "Fast separation of bromelain by polyacrylic acid-bound iron oxide magnetic nanoparticles," Process Biochem., vol. 39, no. 12, pp. 2207–2211., 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procbio.2003.11.014.
Dimensions
PlumX
Visitas a la página del resumen del artículo
Descargas
Cómo citar
Licencia
Derechos de autor 2020 Revista Colombiana de Química
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Los autores/as conservarán sus derechos de autor y garantizarán a la revista el derecho de primera publicación de su obra, el cuál estará simultáneamente sujeto a la Licencia de reconocimiento de Creative Commons (CC. Atribución 4.0) que permite a terceros compartir la obra siempre que se indique su autor y su primera publicación en esta revista.
Los autores/as podrán adoptar otros acuerdos de licencia no exclusiva de distribución de la versión de la obra publicada (p. ej.: depositarla en un archivo telemático institucional o publicarla en un volumen monográfico) siempre que se indique la publicación inicial en esta revista.
Se permite y recomienda a los autores/as difundir su obra a través de Internet (p. ej.: en archivos telemáticos institucionales o en su página web) antes y durante el proceso de envío, lo cual puede producir intercambios interesantes y aumentar las citas de la obra publicada. (Véase El efecto del acceso abierto).
