Synthesis of symmetrical structured triglycerides via a bottom-up process

The synthesis of symmetrical structured triglycerides (STG) through a bottom-up approach was previously shown to produce 1,3-dioleoyl-2-palmitoyl glycerol in significant quantities. This solvent-free lipase-catalyzed process, consisting of a low-temperature (40 °C) esterification step with glycerol dosing followed by a high-temperature (60 °C) esterification step, was further investigated in the production of symmetrical medium-and-long-chain triglycerides (MLCT). By replacing oleic acid with capric acid in the first step or the palmitic acid by either capric acid or lauric acid in the second step, the effects of free fatty chain length and sequence of fatty acid addition on STG production were established. These produced 1,3-dicaproyl-2-oleoyl glycerol, 1,3-dioleoyl-2-caproyl glycerol, and 1,3-dioleoyl-2-lauroyl glycerol at concentrations of 36.98 g, 36.77 g, and 37.08 g per 100 g of triglycerides respectively after 72 h at an overall FFA1:FFA2:Glycerol of 2:1:1 and 4 g Novozyme 435 per 100 g reactants, without the purification of intermediates and products. The sequence of fatty acid addition had the most significant effect as purer STG products can be obtained when the medium chain fatty acid is introduced in the first step. As the process was carried out without solvents, the STG produced are appropriate for functional food or nutraceutical applications.

Immobilization of Candida antarctica Lipase B on Silicone Nanofilaments

Candida antarctica lipase B was immobilized on a series of silicone nanofilament-coated matrices of different porosities. In addition to creating a more open surface, SNF’s hydrophobicity allows for a simple immobilization pathway via adsorption. In order to study the impact of the nanostructure, the performance was compared with control samples lacking SNFs. For all materials, the surface was characterized with BET measurements, and the immobilized enzyme was measured as well as the catalytic activity. Enzyme loads ranged between 3.85% w / w and 2.53% w / w and decreased with the decreasing surface area of the carrier material from 200 m2/g to 0.04 m2/g, while the activity per enzyme increases from 824 U to 2040 U. The data suggest that the coating seals off inner surfaces, forcing the enzyme to be immobilized at more accessible positions allowing for higher activity per enzyme. Optimization of the immobilization conditions allowed us to create a thinner enzyme layer which further improved the activity per enzyme to 3129 U. While this activity is comparable to the commercial Novozyme 435 with 3073 U, the SNF-based system performs the catalysis in a thin surface layer of around 13 μm. A favorite area of application is, for example, the creation of enzyme-based detection systems, where the high activity per surface area of up to 89622 U · mg/m2 would lead to high signal strength.

Chemoenzymatic Synthesis of New Aromatic Esters of Mono- and Oligosaccharides

An efficient and convenient chemoenzymatic route for the synthesis of novel phenolic mono-, di- and oligosaccharide esters is described. Acetal derivatives of glucose, sucrose, lactose and inulin were obtained by chemical synthesis. The fully characterized pure sugar acetals were subjected to enzymatic esterification with 3-(4-hydroxyphenyl) propionic acid (HPPA) in the presence of Novozyme 435 lipase as a biocatalyst. The aromatic esters of alkyl glycosides and glucose acetal were obtained with good esterification yields, characterized by mass spectrometry (MALDI-TOF MS), infrared spectroscopy (FTIR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR, 13C NMR). The synthesis of aromatic esters of disaccharide acetals was successful only for the enzymatic esterification of sucrose acetal. The new chemoenzymatic route allowed the synthesis of novel aromatic esters of inulin as the inulin monoacetal monoester and diester and the inulin diacetal monoester with a polymerization degree of two, as well as the inulin monoacetal monoester with a degree of polymerization of three, were obtained by enzymatic acylation of inulin acetals with HPPA. These compounds could represent a new class of sugar ester surfactants with enhanced bioactivity, antioxidative and antimicrobial properties and with potential application in drug delivery systems.

Lipase-catalyzed ring-opening copolymerization of ω-pentadecalactone and δ-valerolactone by reactive extrusion

This work demonstrates the synthesis of poly(ω-pentadecalactone-co-δ-valeroLactone) with high molecular weight (Mn = 71.3 kDa) and low polydispersity (Đ = 1.67) within 6 hours by reactive extrusion (REX) using a lipase catalyst (Novozyme-435).

Comparison of Different Latex Fractions of Carica Papaya L., and Novozyme 435® in the Methanolysis of Canola Oil

Se investigó la actividad de las fracciones crudas (P3) y libres de proteasas (CPL-p) del látex de Carica papaya en la lipólisis y metanólisis del aceite de canola. Las fracciones P3 y CPL-p fueron extraídas de frutos de C. papaya colectados en el departamento del Atlántico (Colombia), obteniéndose rendimientos de extracción del 26,89±0,26 y 4,85±0,04 g/100 g de látex fresco, respectivamente. La actividad lipasa de CPL-p, determinada mediante titulación de ácidos grasos fue 58,4% mayor con respecto a P3. Ambas fracciones fueron evaluadas como catalizadores en la producción de ésteres metílicos de ácidos grasos (EMAG. Como catalizador de referencia se usó la lipasa B de Candida antarctica (Novozyme 435®). Las reacciones se llevaron a cabo en un bioreactor tipo batch durante 48 h, a 200 rpm y 50 ºC. Las condiciones de reacción con P3 y CPL-p fueron: 6g de aceite, 20 %p/p de n-hexano, 15 %p/p del catalizador y relación molar metanol/aceite de 3:1. Los porcentajes de conversión obtendios fueron: P3 = 31,55±1,01 %, CPL-p = 38,48±0,76 % y Novozyme-435 = 62,96±0,63 %. Estos resultados demuestran el potencial de CPL-p en la hidrólisis de aceites de interés en la industria de los alimentos. Sin embargo, bajo las condiciones experimentales usadas en el presente estudio, su aplicación en la producción de EMAG fue limitada. Se concluye que el látex del fruto de C. papaya, de los árboles que se cultivan en la región del Caribe colombiano, es un subproducto agroindustrial con un alto potencial en la bioconversión de lípidos.

Valorisation of renewable resources produced by sugarcane mills and oilseed processing industries via microbial and enzymatic processes for the production of fumaric acid, wax esters, biolubricants and oleogels

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστίασε στην επεξεργασία πρώτων υλών της βιομηχανίας τροφίμων, όπως ακατέργαστη ζάχαρη, μελάσα, σογιάλευρο και παράπλευρα ρεύματα από την επεξεργασία εξευγενισμού των βρώσιμων ελαίων, στα πλαίσια ανάπτυξης καινοτόμων βιοδιυλιστηρίων. Ο στόχος ήταν η ανάπτυξη των κατάλληλων βιοδιεργασιών που θα οδηγήσουν στην παραγωγή νέων προϊόντων βιο-οικονομίας, με ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία τροφίμων. Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκε ποσοτικός προσδιορισμός της χημικής σύστασης των πρώτων υλών με σκοπό να προσδιοριστούν τα κυριότερα συστατικά αυτών, όπως ελεύθερα σάκχαρα, άζωτο, πρωτεΐνη, φαινολικά συστατικά, τέφρα, περιεκτικότητα σε νερό, ιχνοστοιχεία και διαιτητικές ίνες. Με βάση τη χημική σύσταση των πρώτων υλών επιλέχθηκαν οι κατάλληλες μέθοδοι επεξεργασίας και αξιοποίησης αυτών για την βιοτεχνολογική παραγωγή ενδιάμεσων προϊόντων, όπως μικροβιακά λιπίδια, και πρόσθετων και βιολειτουργικών συστατικών τροφίμων, όπως φουμαρικό οξύ και καροτενοειδή. Επίσης, στο τελικό στάδιο της μελέτης παρήχθησαν καινοτόμα προϊόντα με ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία τροφίμων, όπως εστέρες λιπαρών οξέων και ελαιοπηκτές. Το πρώτο στάδιο της μελέτης εστίασε στην επεξεργασία του σογιαλεύρου με ενζυμικές βιοδιεργασίες, με στόχο την αξιοποίηση των πρωτεϊνών του σογιαλεύρου για την παραγωγή θρεπτικού μέσου κατάλληλου για μικροβιακές ζυμώσεις. Η διεργασία αυτή περιελάμβανε την παραγωγή ακατέργαστων πρωτεολυτικών ενζύμων μέσω ζύμωσης στερεής κατάστασης και χρήση των ενζύμων αυτών για την υδρόλυση του σογιαλεύρου. Η ενζυμική υδρόλυση βελτιστοποιήθηκε όσον αφορά τη θερμοκρασία υδρόλυσης και την αρχική ενζυμική ενεργότητα. Το παραχθέν υδρόλυμα σογιαλεύρου αξιολογήθηκε μέσω του χημικού προσδιορισμού του αζώτου των ελεύθερων αμινομάδων των αμινοξέων και των πεπτιδίων (free amino nitrogen - FAN) και του ανόργανου φωσφόρου.Το υδρόλυμα σογιαλεύρου χρησιμοποιήθηκε ως θρεπτικό μέσο στην προκαλλιέργεια ανάπτυξης του μυκητιακού στελέχους Rhizopus arrhizus NRRL 2582 με στόχο τη βιοτεχνολογική παραγωγή φουμαρικού οξέος. Σε αυτό το στάδιο της μελέτης πραγματοποιήθηκαν ασυνεχείς και ημι-συνεχείς ζυμώσεις σε αναδευόμενες φιάλες χρησιμοποιώντας διαφορετικές πρώτες ύλες, όπως μείγμα εμπορικής γλυκόζης-φρουκτόζης, ακατέργαστη ζάχαρη και μελάσα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μεγαλύτερη παραγωγή φουμαρικού οξέος (40 g/L) με απόδοση 0,86 g/g επιτεύχθηκε στο υπόστρωμα ακατέργαστης ζάχαρης. Ο συνδυασμός υδρολύματος σογιαλεύρου και μελάσας δεν επέφερε ανάλογα αποτελέσματα, καθώς ο μεταβολισμός του μύκητα R. arrhizus στράφηκε προς την παραγωγή αιθανόλης. Επιπρόσθετα, ο ποσοτικός προσδιορισμός της σύστασης της μελάσας έδειξε ότι περιέχει σημαντικές ποσότητες συγκεκριμένων φαινολικών συστατικών και αυξημένη περιεκτικότητα ιχνοστοιχείων που επηρεάζουν το μεταβολισμό των μυκήτων του γένους Rhizopus. Στη συνέχεια μελετήθηκε η δυνατότητα παραγωγής μικροβιακών λιπιδίων και καροτενοειδών από την ζύμη Rhodosporidium toruloides DSM 4444. Κατά την μελέτη ασυνεχών ζυμώσεων που πραγματοποιήθηκαν σε αναδευόμενες φιάλες με υπόστρωμα ακατέργαστης ζάχαρης, η μεγαλύτερη παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων ήταν 8,1 g/L με 23,8 g/L ξηρή κυτταρική μάζα. Ακολούθησαν ασυνεχείς ζυμώσεις με στόχο την μελέτη της επίδρασης διαφορετικών θρεπτικών συστατικών (π.χ. φωσφορικών αλάτων και ιχνοστοιχείων) στην παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων. Τα καλύτερα αποτελέσματα (12,7 g/L συγκέντρωση μικροβιακών λιπιδίων με 59% κ.β. λιποπεριεκτικότητα) σημειώθηκαν με την προσθήκη τόσο των φωσφορικών αλάτων όσο και του μείγματος των ιχνοστοιχείων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν ημι-συνεχείς ζυμώσεις σε βιοαντιδραστήρα σε υπόστρωμα μελάσας με χρήση εμπορικών πηγών αζώτου ή υδρολύματος σογιαλεύρου. Η χρήση υδρολύματος σογιαλεύρου σε ημι-συνεχείς ζυμώσεις οδήγησε στη μεγαλύτερη παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων (18,4 g/L) με ταυτόχρονη παραγωγή καροτενοειδών με μέγιστη περιεκτικότητα 88,9 μg/g ξηρής κυτταρικής μάζας.Ακολούθως, η ερευνητική μελέτη επικεντρώθηκε στην παραγωγή διαφόρων χημικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, ως καινοτόμες εφαρμογές της χρήσης μικροβιακών λιπιδίων αλλά και της αξιοποίησης και επεξεργασίας των παράπλευρων ρευμάτων που προκύπτουν από τον εξευγενισμό των φυτικών ελαίων. Αρχικά, η ενζυμική μετατροπή των μικροβιακών και φυτικής προέλευσης λιπιδίων για την παραγωγή εστέρων μελετήθηκε με την χρήση ελαϊκής, παλμιτικής και βεχενυλικής αλκοόλης. Οι εστέρες αυτοί που παράγονται από αλκοόλες μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας ονομάζονται κηροί. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της ενζυμικής διεργασίας ως προς την θερμοκρασία και την αρχική ενζυμική ενεργότητα με χρήση εμπορικών (Novozyme 435, Lipozyme) και μη εμπορικών λιπασών, που οδήγησαν σε εξαιρετικά υψηλές αποδόσεις βιομετατροπής, έως και 94%. Μελετήθηκαν οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των παραγόμενων βιογενών κηρών, όπως οξύτητα, αριθμός ιωδίου, αριθμός σαπωνοποποίησης, ιξώδες και θερμική συμπεριφορά με χρήση θερμιδομετρίας σάρωσης (differential scanning calorimetry, DSC), και βρέθηκαν παρόμοιες με αυτές των ευρέως χρησιμοποιούμενων φυτικών κηρών (π.χ. καρναουβικός κηρός, κηρός μέλισας κ.α.). Εν συνεχεία, η παραγωγή εστέρων με βιολιπαντικές ιδιότητες από μικροβιακά λιπίδια πραγματοποιήθηκε με χρήση των πολυολών νεοπεντυλογλυκόλη και τριμεθυλοπροπάνιο. Η ενζυμική αντίδραση καταλύθηκε από εμπορικές λιπάσες (Lipomod 34MDP) και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μέγιστος βαθμός εστεροποίησης που επιτεύχθηκε ήταν 88%, ενώ η καταλληλότητά τους για χρήση ως βιολιπαντικές ουσίες επιβεβαιώθηκε μέσω της μελέτης των ιδιοτήτων των εν λόγω εστέρων.Στο τελευταίο στάδιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η ανάπτυξη ελαιοπηκτωμάτων ως καινοτόμος εφαρμογή των παραχθέντων βιογενών κηρών. Οι ελαιώδεις βάσεις για την παραγωγή ελαιοπηκτωμάτων ήταν ελαιόλαδο, σογιέλαιο και μικροβιακά λιπίδια, ενώ οι βιογενείς κηροί που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονταν είτε από μικροβιακά λιπίδια είτε από παράπλευρα ρεύματα εξευγενισμένων ελαίων. Η αξιολόγηση των ελαιοπηκτωμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω της μελέτης των ιδιοτήτων τους, όπως το χρώμα, η κρυσταλλική μορφή μέσω μικροσκοπίου πολωμένου φωτός (polarised light microscopy, PLM), η υφή μέσω αναλυτή υφής (texture analyser), η ρεολογική και η θερμική συμπεριφορά, με χρήση ρεομέτρου και θερμιδομετρία σάρωσης, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι ιδιότητες των παραχθέντων ελαιοπηκτών ομοιάζουν με εκείνες τροφίμων, όπως λιπαρές ύλες επικάλυψης, και δύναται να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα κορεσμένων και trans λιπαρών υλών σε προϊόντα τροφίμων.