Estudo de reutilização da enzima Novozym 435 na catálise de reações de monoesterificação de oleatos de xilitol com aquecimento por microondas

ÁREA

Química Verde

Autores

Moraes, A.R.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS) ; Lemos, M.P.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE) ; Rufino, A.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE)

RESUMO

Surfactantes podem ser sintetizados empregando catálise enzimática, sendo essa uma tecnologia cara. Nesse trabalho foi realizado o estudo da reutilização da enzima, como alternativa viável na catálise de mono-oleato de xilitol, empregando Novozym 435 em reações sequenciais de esterificação. O derivado enzimático imobilizado foi recuperado após cada reação e reaproveitado na reação seguinte. O rendimento reacional máximo foi determinado por titulação ácido base. Foram obtidos resultados satisfatórios (superiores a 77%) até o 3º ciclo reacional, sendo os resultados de rendimento para as duas primeiras utilizações da enzima superiores a 90%, mostrando que as enzimas comerciais imobilizadas possuem potencial de reutilização em reações com aquecimento por micro-ondas.

Palavras Chaves

Catálise Enzimática; Biossurfactantes; Micro-ondas

Introdução

Os surfactantes compõem uma classe de moléculas caracterizadas por sua capacidade de atuar na interface óleo-água, possuindo uma estrutura composta de uma parte polar, comumente chamada “cabeça”, e uma parte apolar, conhecida como “cauda”. Diversos compostos orgânicos atuam como surfactantes, com destaque dentre eles para os ésteres de açúcares, materiais não-iônicos, insípidos, inodoros, biodegradáveis, não tóxicos e não irritantes (NAKAYMA et al., 2015; LIN, 2015). O conjunto de características desses materiais os torna interessantes para sua aplicação em indústrias de cosméticos, alimentícia e farmacêutica. Na produção clássica, os emulsificantes são sintetizados a partir de reações de esterificações empregando ácidos graxos, com cadeias de diversos comprimentos, e polialcoóis derivados de açúcares naturais. Devido à gama de combinações possíveis empregando diferentes substratos, os mais variados ésteres podem ser obtidos. Alguns estudos apontam a obtenção de ésteres com atividade antimicrobiana a partir do emprego de ácido oleico como substrato, despertando o interesse na aplicação desses compostos na formulação de fármacos (ABDELKADER et al., 2016). O xilitol é um poliálcool promissor para o uso como substrato na síntese de ésteres. Sua principal fonte de obtenção industrial é pela redução da xilose extraída da madeira. Uma indústria altamente consumidora desse material é a alimentícia e farmaceutica, que o emprega na composição de diversos alimentos direcionados à pacientes de diabetes, visto que ele é metabolizado no organismo por uma via independente da insulina (ALBURQUEQUE et al., 2014). A metodologia para produção industrial de ésteres, pode apresentar dificuldades na sua implementação, já que as vias clássicas de síntese são realizadas em condições de altas temperaturas e com o emprego de catalisadores agressivos (ácidos fortes). O produto reacional precisa ainda passar por etapas de purificação e destilação para a remoção dos poliésteres formados como subprodutos por vias secundárias e que reduzem as propriedades emulsificantes do monoéster. Essa necessidade de etapas adicionais para a obtenção de um produto final refinado e de qualidade encarece o processo total (GHAMGUI et al., 2006). Uma alternativa interessante para a produção desses ésteres é o uso de catálise enzimática, já que enzimas são biopolímeros capazes de promover reações orgânicas em temperaturas e pressões próximas às ambientes, além de promover maior especificidade na obtenção do produto final, com quimio- enantiosseletividade (BENKOVIC et al., 2003). As reações de esterificação são melhores promovidas pelas enzimas pertencentes à sub-classe das lipases, caracterizadas por sua capacidade de atuar na interface óleo-água (LERIN et al., 2014). Reações de esterificação empregando o glicerol e o xilitol como precursores na síntese de ésteres derivados de ácido oleico levaram a rendimentos da ordem de 90% (RUFINO et al., 2009). Apesar das vantagens associadas ao rendimento e à temperatura, o uso de lipases leva a tempos reacionais mais longos comparados às vias clássicas de síntese. Uma alternativa que propõe a redução desses tempos reacionais é o emprego do reator de micro-ondas como alternativa ao aquecimento. Publicações acerca do emprego do reator de micro-ondas na síntese orgânica estão aumentando, principalmente nos últimos anos, devido às inúmeras vantagens que o emprego dessas tecnologias traz, destacando-se principalmente a redução de tempo reacional associado à redução do volume de solvente ou até mesmo sua eliminação. Esses benefícios vão ao encontro do interesse industrial quanto à redução do uso de matérias-primas empregadas e à busca por processos energeticamente mais sustentáveis (RATHI et al., 2015; LERIN et al., 2014). A catálise enzimática é um método de conduzir reações orgânicas que traz diversos benefícios, principalmente relacionados às questões ambientais, mas um dos empecilhos na aplicação industrial desta técnica encontra-se nos elevados preços comerciais dos derivados imobilizados. A reação de esterificação enzimática na síntese de mono-oleatos de xilitol foi realizada empregando como catalisador, a enzima Novozym 435, em reações consecutivas, a fim de analisar a redução da atividade enzimática, através dos rendimentos reacionais obtidos, para cada ciclo de reuso da enzima.

Material e métodos

Foram conduzidas reações de esterificação com com ácido oleico e xilitol (4:1) com catálise empregado o derivado enzimático comercial Novozym 435 empregando-se terc-butanol (10 mL; Sigma Aldrich) como solvente em reator de micro-ondas por períodos de 5 horas à 55 ºC. Os rendimentos reacionais foram calculados a cada hora para determinar o rendimento máximo reacional, através de dosagem da concentração do ácido oleico por titulações de neutralização com KOH (0,005M) em duplicata a cada hora com fenolftaleína como indicador. Ao fim de cada ciclo reacional, o derivado imobilizado foi coletado por filtração, lavado e armazenado com heptano em geladeira (em aproximadamente 10 ºC). Os derivados recuperados foram empregados em novas reações. Foram feitas cinco reações consecutivas.

Resultado e discussão

No estudo do reuso da enzima, a mesma matéria enzimática foi empregada em 5 reações consecutivas. Nessas reações foi empregada a técnica de aquecimento por micro-ondas. Foram repetidas as condições reacionais empregadas na esterificação do ácido oleico com xilitol em reator de micro-ondas e as análises realizadas por titulação com fenolftaleína de alíquotas em triplicatas a cada hora. Os resultados, em termo de concentração de ácido oleico remanescente foram corrigidos, considerando-se a redução do volume reacional e com isso calcularam-se os rendimentos para a reação a cada hora baseando-se no consumo de ácido oleico. O maior rendimento obtido foi de 96,5% para 2 horas reacionais no primeiro uso da enzima, seguido pelo rendimento de 95,7% para 2 horas reacionais no segundo ciclo reacional. A redução de apenas 0,8% do rendimento deixa claro que o derivado enzimático imobilizado pode ser empregado mais de uma vez em reações de esterificação com aquecimento micro-ondas sem que haja perdas consideráveis para o processo. No terceiro ciclo o rendimento máximo ainda é obtido em 2 horas de reação (77,2%), mas apresentou queda considerável. Nos quarto e quinto ciclos o rendimento máximo é em torno de 35%, mostrando uma redução drástica. Além disso, há um aumento no tempo reacional para a obtenção do rendimento máximo, indicando uma perda de atividade do derivado imobilizado, que, após muitos ciclos de uso, perde a atividade em alguns de seus sítios ativos e passa a levar mais tempo para promover o consumo e conversão dos reagentes (KIM et al., 2004). Reações posteriores ao quinto ciclo podem indicar ainda rendimento reacional mensurável. Apesar de baixos em relação ao primeiro rendimento apresentado, esses valores revelam que ainda há atividade enzimática e que o catalisador pode ter uso, reduzindo sua necessidade de descarte, fator ambientalmente favorável, e permitindo seu reuso para diferentes fins, economicamente vantajoso. A figura 1 a seguir apresenta os resultados obtidos. A diferença de eficiência perdida entre o primeiro e segundo ciclo é desprezível. Ela se torna mais aparente no terceiro ciclo reacional e nos quarto e quinto ciclos é possível notar a baixa atividade, com alteração no perfil da curva e resultados máximos obtidos 1 hora após os máximos do primeiro ciclo. Mesmo com a perda de atividade, é relevante ressaltar que as conversões, mesmo em tempos mais longos, são significativas, nos valores em torno de 35%. Trabalhos divulgados por Stamatis e colaboradores (1998) relataram a reutilização de uma lipase extraída de Fusarium oxysporum na síntese de ésteres de gerânio em 5 ciclos consecutivos, registrando apenas uma leve perda da eficiência enzimática, cerca de 10%. As maiores conversões obtidas estavam entre 70% e 80% de rendimento em tempos longos de incubação de 96 h. Kim e colaboradores (2004) também relatam o emprego da lipase de Candida antarctica em até 9 ciclos consecutivos de esterificações do ácido oleico, relatando perda de metade da atividade enzimática nesse período, registrando rendimentos de 97% no primeiro ciclo. É possível concluir ainda, a partir desses trabalhos, que novos ciclos além do quinto podem apresentar resultados de conversão consideráveis na síntese desses surfactantes, mesmo que reduzida em comparação aos valores alcançados no primeiro ciclo.

Conversão percentual da concentração de ácido oleico para 5 ciclos de uso da Novozym 435 na esterificação com aquecimento por micro-ondas por


Acompanhamento por consumo percentual de ácido oleico para cinco ciclos de utilização da lipase Novozym 435

Conclusões

No presente trabalho, foi estudado o emprego de técnicas de aquecimento utilizando reator de micro-ondas em concomitância com a catálise enzimática empregando a lipase Novozym 435 na esterificação de poliálcoois com ácidos graxos. Na análise do uso em ciclos seguidos da enzima Novozym 435 os resultados mostraram, para os primeiro e segundo ciclos, valores de rendimento em torno de 96%. O rendimento foi de 77% para o terceiro cilo e de aproximadamente 35% para os quarto e quinto ciclos. A partir desses resultados, conclui-se que essa enzima pode ser empregada em até cinco ciclos reacionais.

Agradecimentos

Referências

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