As enzimas são macromoléculas de natureza proteica que actuam nas células como catalisadores biológicos de reacções químicas (Madigan et al., 2004; Marques, 2004). Os catalisadores diminuem a energia de activação de uma reacção, aumentando a sua velocidade (Madigan et al., 2004). A actividade enzimática depende da taxa ou velocidade a que os produtos de reacção se formam (Marques, 2004), variando em função da concentração de enzima e do substrato, da temperatura e do pH (Faia & Castro, 1998; Marques, 2004
)
. Em abundância de substrato a velocidade da reacção é directamente proporcional à concentração de enzima, desde que a catálise enzimática não seja perturbada, devido a alterações de pH e temperatura ou à inibição da enzima (Marques, 2004).A velocidade de uma reacção enzimática em função da concentração de substrato traduz-se pela equação de Michaelis-Menten5 (Faia & Castro, 1998). A velocidade inicial da reacção é proporcional à concentração de substrato até ser atingido um valor máximo, a partir do qual estabiliza. Esta estabilização verifica-se quando todas as moléculas enzimáticas estiverem com os seus centros activos saturados com moléculas de substrato (Ibid.). O aumento de temperatura acima de um determinado valor (temperatura óptima) afecta a estrutura tridimensional das enzimas (desnaturação), uma vez que as ligações intramoleculares são quebradas, levando, geralmente, a modificações irreversíveis e, consequentemente, a perda de actividade catalítica (Faia & Castro, 1998; Macedo et al., 2003; Marques, 2004). Cada enzima manifesta a sua actividade máxima
5
V – velocidada da reacção
Vmax– Velocidade máxima da reacção [S] – concentração de substrato
Km– constante de Michaelis-Menten (a concentração de substrato correspondente a metade da velocidade máxima) KM + [S]
Vmax [S]
V = V – velocidada da reacção
Vmax– Velocidade máxima da reacção [S] – concentração de substrato
Km– constante de Michaelis-Menten (a concentração de substrato correspondente a metade da velocidade máxima) KM + [S] Vmax [S] V = KM + [S] Vmax [S] V =
num determinado valor de pH, designado pH óptimo (Macedo et al., 2003; Marques, 2004). Quando o pH se altera verifica-se a diminuição da actividade enzimática (Macedo
et al., 2003; Marques, 2004), porque o substrato e o centro activo da enzima têm grupos
ionizáveis em que o estado de ionização depende do pH do meio onde ocorre a reacção (Marques, 2004).
Desde a antiguidade que os alimentos têm sido transformados por processos biotecnológicos, com o objectivo de melhorar a sua qualidade e prolongar a sua duração (Macedo et al., 2003). Nesta secção, descrevem-se de forma sucinta, alguns exemplos de transformações por catálise enzimática, realizadas com enzimas produzidas por organismos vivos (e.g. plantas, animais e microrganismos).
Muitos fungos e bactérias produzem enzimas industrialmente úteis (e.g. amilases, invertase, proteases, pectinases) (Madigan et al., 2004; Pelczar et al., 1996). Destacam- se, particularmente, na indústria alimentar, a acção de enzimas produzidas por microrganismos. Os microrganismos nas suas diversas actividades metabólicas utilizam nutrientes a partir do meio circundante, sendo as transformações bioquímicas que se verificam no interior e exterior da célula efectuadas pela acção de enzimas. Qualquer microrganismo necessita de energia para crescer, alguns utilizam a energia luminosa, enquanto outros utilizam moléculas orgânicas ou inorgânicas como fontes de energia. Assim, os microrganismos produzem enzimas extracelulares (exoenzimas) com propriedades hidrolíticas que actuam sobre diversas moléculas orgânicas, como proteínas, hidratos de carbono e lípidos, sendo os produtos de digestão transportados para o interior das células para serem utilizados como nutrientes (Madigan et al., 2004; Oliveira & Pampulha, 2000).
Diversas enzimas de origem microbiana são utilizadas na produção de sumos de fruta, sendo provavelmente as pectinases as mais importantes (Waites et al., 2001). As pectinases são enzimas hidrolíticas produzidas e comercializadas, quase sempre, a partir de microrganismos (e.g. Aspergillus niger) (Macedo et al., 2003; Waites et al., 2001). A pectina é um polissacarídeo complexo constituído por cadeias de centenas de resíduos de ácido galacturónico, estando presente na matriz da parede celular das células vegetais e como principal constituinte da lamela mediana (Madden, 2000). A pectina aumenta a viscosidade do sumo, causando dificuldades na filtração e clarificação, com consequências, respectivamente, na quantidade e qualidade do sumo produzido (Waites
et al., 2001). Na área dos alimentos, onde a pesquisa sobre enzimas se concentra em
questões relacionadas com a qualidade e a eficiência na produção, têm sido desenvolvidas diversas pectinases para ajudar os produtores de sumo de maçã a
obterem maior quantidade de sumo, num intervalo de tempo mais curto. As pectinases, além de removerem pectinas, também actuam na clarificação de sumos. Outra aplicação destas enzimas ocorre no fabrico de vinho, uma vez que a adição de pectinases às uvas esmagadas contribui para aumentar a produção de sumo, a extracção de corantes da casca das uvas e a clarificação do vinho (Macedo et al., 2003). As pectinases também podem ser utilizadas para efectuar o peeling enzimático de citrinos (Madden, 2000; Waites et al., 2001) e para remover a pele fina de frutos com caroço, como pêssegos, damascos e nectarinas (Madden, 2000).
A lactase (-galactosidade) é uma enzima utilizada em diversos processos industriais que requerem o desdobramento da lactose do leite nos seus monossacarídeos constituintes, galactose e glicose (Macedo et al., 2003; Waites et al., 2001). Este processo é particularmente importante para intolerantes à lactose do leite. A hidrólise da lactose é também utilizada no fabrico de gelados para aumentar a sua suavidade, uma vez que a fraca solubilidade deste dissacarídeo pode levar à formação de cristais que originam uma textura granulosa nos gelados (Waites et al., 2001). A lactase, normalmente usada na indústria, tem origem microbiana (e.g. Aspergillus niger) e pode ser adicionada directamente ao leite, contudo o seu custo elevado tem conduzido à sua utilização na forma imobilizada (Macedo et al., 2003; Waites et al., 2001).
O peróxido de hidrogénio pode ser utilizado na conservação do leite, por exemplo, quando a refrigeração não é possível ou não existe equipamento para o processo de pasteurização (Macedo et al., 2003). No entanto, após o tratamento, o peróxido de hidrogénio misturado com o leite tem de ser removido, sendo este processo efectuado através da adição da enzima catalase (Ibid.). A catalase é também utilizada na indústria têxtil para remover o peróxido de hidrogénio residual utilizado no branqueamento de tecidos (Soares, 2000; Waites et al., 2001) e no tratamento de embalagens para prevenir a oxidação dos alimentos. A Tabela 2.6 apresenta algumas aplicações de enzimas de origem microbiana na indústria alimentar, têxtil e no sector dos detergentes.
Quando uma enzima é utilizada continuamente em larga escala pode ser vantajoso imobilizá-la, por exemplo, pela inclusão desta no interior de esferas cujo invólucro é constituído por um polímero geliforme e semipermeável (Madigan et al., 2004). Assim, quando a solução de substrato atravessa as esferas, a enzima imobilizada catalisa a transformação do substrato em produtos de reacção (Pelczar et al., 1996). A tecnologia da enzima imobilizada apresenta as seguintes vantagens: a) a enzima pode ser continuamente reutilizada; b) os produtos de reacção são mais facilmente recuperados e
purificados, uma vez que não contêm a enzima (Pelczar et al., 1996); c) confere maior estabilidade da enzima à desnaturação (Madigan et al., 2004).
Tabela 2.6 – Enzimas de origem microbiana e suas aplicações na indústria.
Enzima Fonte Aplicação Indústria
Amilase Fungos
Bactérias
Fabrico de pão e xaropes; remoção de nódoas de tecidos Alimentar Detergentes Protease Bactérias
Fungos
Tenderização da carne; tratamento do couro e confere melhor textura à pele; remoção de nódoas de tecidos
Alimentar Têxtil Detergentes Lipase Fungos Desenvolvimento do sabor em produtos lácteos; remoção de
gorduras de tecidos
Alimentar Detergentes Celulases Bactérias Amaciador de tecidos e remoção de nódoas; polimento de
fibras de celulose
Detergentes Têxtil Catalase Fungos Esterilização do leite; tratamento de embalagens para prevenir
a oxidação dos alimentos; branqueamento de tecidos
Alimentar Têxtil Lactase Fungos Hidrólise da lactose do leite (glicose e galactose); fabrico de
gelados
Alimentar Invertase Leveduras Hidrólise da sacarose (glicose e frutose); preparação de doces
recheados com creme; produção de xaropes
Alimentar Pectinase Fungos Produção e clarificação de sumos de frutas e de vinho;
maceração de fibras de linho para a produção do tecido
Alimentar Têxtil
(Baseada em Macedo et al., 2003; Madigan et al., 2004; Pelczar et al., 1996; Waites et al., 2001)
C) Leveduras em processos de fermentação alcoólica6
As leveduras são fungos unicelulares, maioritariamente classificadas em termos taxonómicos como Ascomycetes, apresentam células esféricas, ovais ou cilíndricas, com reprodução assexuada, geralmente por gemulação (Madigan et al., 2004; Marques, 2004). Estes microrganismos desenvolvem-se em habitats em que se verifica a presença de açúcares, como frutos e flores (Ibid.). São adequados para fermentações em escala industrial, devido às suas propriedades específicas, como a tolerância a altas concentrações de álcool (10 a 15%) e de dióxido de carbono, além do rápido crescimento (SBRT, 2006).
As leveduras com maior importância económica pertencem ao género Saccharomyces, sendo particularmente utilizadas na indústria da panificação e na produção de bebidas alcoólicas (Madigan et al., 2004) não destiladas (e.g. cerveja e vinho) e destiladas (e.g. aguardente, uísque) (SBRT, 2005). As espécies mais comuns para a produção de álcool são a Saccharomyces cerevisiae (Pelczar et al., 1996; SBRT, 2006) e a Saccharomyces carlsbergensis (SBRT, 2006).
6 Algumas partes da revisão de literatura efectuada sobre as leveduras em processos de fermentação alcoólica foram
utilizadas na elaboração do contexto problemático intitulado “Biocombustíveis: bioetanol – uma aplicação da fermentação alcoólica”, a partir do qual um grupo de trabalho que frequentou a OF desenvolveu um percurso investigativo.