Analise Critica

Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC

Departamento de Engenharia Química e de Alimentos - EQA

Disciplina: Engenharia Bioquímica

Análise crítica

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Situação atual e tendências em nanoimobilização enzimática

Dezembro/2015

1.Introdução

Enzimas são biocatalisadores altamente específicos, cujo uso é maximizado e melhorado pela sua imobilização. Para aumentar o tempo de atividade da enzima na indústria é necessário imobilizar o catalisador. Esse processo permite que a enzima se torne mais estável e resistente a condições severas e preservar sua atividade durante vários ciclos. Para ser economicamente viável, deve-se considerar o tipo de suporte e o método de imobilização. A ligação dos suportes sólidos pode ocorrer de diferentes maneiras: por adsorção, ligação covalente, encapsulamento e a combinação dos métodos.

Através dos anos, vários pesquisadores publicaram sobre nanoestruturas para imobilizar enzimas. O uso das nanopartículas tem muitas vantagens por causa de seu tamanho e propriedades físicas. As enzimas imobilizadas em nanopartículas podem ter alta estabilidade em uma grande faixa de temperatura e pH, em comparação com enzimas livres. Em relação aos métodos convencionais de imobilização, imobilização em nanopartículas mostra três importantes características: (i) fáceis de sintetizar em alto teor de sólidos e sem surfactantes e reagentes tóxicos, (ii) revestimento das partículas homogêneas e sendo bem definidas, e (iii) o ajustamento conveniente do tamanho de partícula dentro dos limites de trabalho.

Imobilização de enzimas é uma alternativa devido a sua utilização em larga escala, já que seu preço elevado e baixa estabilidade sob condições adversas de processo (presença de detergentes, solventes ou substrato, a inibição de produtos, de alta temperatura e baixa pressão) pode diminuir a produtividade do processo [10]. Devido a esses fatores e a busca intensiva para os nanomateriais que podem eficientemente imobilizar enzimas, este artigo tem a intenção de fornecer informações úteis sobre os aspectos gerais dos nanomateriais com grande potencial de biocatalisadores imobilização.

2. Nanomateriais

Os nanomateriais podem servir como excelentes materiais de apoio para imobilização de enzimas, pois eles oferecem as características ideais para equilibrar os fatores-chave que determinam a eficiência dos biocatalisadores, incluindo a área de superfície específica, resistência à transferência de massa e de carga enzima eficaz. A tabela abaixo mostra as vantagens e desvantagens de usar a nanoimobilização.

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As nanopartículas apresentam propriedades eletrônicas, magnéticas, óticas, físicas e químicas que são completamente diferentes, tanto do volume e átomos ou moléculas constituintes. A literatura atual apresenta vários tipos de nanomateriais para a imobilização de enzimas. Exemplos de arquiteturas nanoestruturados incluem nanotubos de carbono (CNT), nanopartículas, nanopartículas magnéticas, meio mesoporosos, nanofibras, nanocompósitos, nanobastões e materiais sol-gel contendo partículas em nanômetros e nanopartículas com enzimas única.

Os nanomateriais que foram usados recentemente como suporte para imobilização de enzima serão discutidos a seguir.

2.1 Nanometais

Esferas magnéticas têm sido utilizadas como material de potencial para a imobilização da lipase [17]. A aplicação de nanopartículas de óxido de ferro também tem destaque no campo biomédico, principalmente devido à sua baixa toxicidade em seres humanos e a possibilidade de controlar sua magnetização. A utilização deste tipo de suporte pode reduzir os custos de capital e de operação; estas nanopartículas podem ser separadas do sistema de reação e  estabilizada por um leito fluidizado por aplicação do campo magnético externo. A incorporação de nanopartículas magnéticas, bem como outros métodos de imobilização, abre a possibilidade de recuperação e reutilização da enzima ao longo de vários ciclos.

Como uma estratégia muito promissora, as nanopartículas superparamagnéticas com base em magnetita (Fe3O4) e maghemite (ᵞ-Fe2O3) foram recentemente utilizadas como materiais de apoio para as enzimas, apresentando características marcantes, como a grande área de superfície, a mobilidade e a alta transferência de massa.

2.2 Partículas de ouro

As aplicações das nanopartículas de ouro baseiam-se nas suas propriedades únicas, especialmente em termos de alta contração nos seus orbitais 6s resultantes em um pequeno raio atômico. Estas propriedades únicas de nanopartículas de ouro proporcionam muitas aplicações, por exemplo, na medicina e biologia, como biossensores, antimicrobianos, em diagnóstico e terapia do câncer, de administração de fármaco livre de agulha. Um dos usos mais eficientes de nanopartículas de ouro nos últimos anos é a detecção e combate contra o HIV.

2.3 Partículas de quitosano

O quitosano é amplamente utilizado como suporte para a imobilização de enzimas devido às suas diferentes configurações geométricas, tais como pós, flocos, hidrogéis, membranas, fibras e outros, e a presença de grupos hidroxilo e amino. Este biopolímero é solúvel em meio ácido diluído, formando um polímero catiónico com grupo amina gerando o íon NH3+, o que torna as propriedades especiais que o diferencia de fibras vegetais.

O uso da partícula nano de quitosano tem muitas vantagens sobre quitosano puro, como as propriedades físicas e químicas superiores, tais como elevada área de superfície, a porosidade, a resistência à tração, a condutividade, a foto-luminescente. Além disso, o quitosano tem certos grupos funcionais tais como -NH2 e -OH, permitindo a interação com outros polímeros e moléculas biológicas.

Quitosano pode também ser utilizado sob a forma de membranas nanofibrosas. Foi desenvolvida uma tal membrana (80-150 nm de diâmetro de fibra) a partir da solução (PVA) por um processo de eletrospinning misto de quitosano / poli (álcool vinílico). A lipase foi imobilizada a partir da C. rugosa na membrana nanofibrosa utilizando glutaraldeído. A atividade residual depois de 10 utilizações foi de 46% e 56,2% após 30 dias para a enzima imobilizada (pH 7 e 4 ◦C); enquanto que, para a lipase livre, a atividade retida foi de 36,6% depois de 10 dias e perdeu a maior parte da sua atividade inicial após um mês.