Freeze-drying microscopy in mathematical modeling of a biomaterial freeze-drying

Transplantation brings hope for many patients. A multidisciplinary approach on this field aims at creating biologically functional tissues to be used as implants and prostheses. The freeze-drying process allows the fundamental properties of these materials to be preserved, making future manipulation and storage easier. Optimizing a freeze-drying cycle is of great importance since it aims at reducing process costs while increasing product quality of this time-and-energy-consuming process. Mathematical modeling comes as a tool to help a better understanding of the process variables behavior and consequently it helps optimization studies. Freeze-drying microscopy is a technique usually applied to determine critical temperatures of liquid formulations. It has been used in this work to determine the sublimation rates of a biological tissue freeze-drying. The sublimation rates were measured from the speed of the moving interface between the dried and the frozen layer under 21.33, 42.66 and 63.99 Pa. The studied variables were used in a theoretical model to simulate various temperature profiles of the freeze-drying process. Good agreement between the experimental and the simulated results was found.

Purification of bromelain from pineapple wastes by ethanol precipitation

Bromelain is an aqueous extract of pineapple that contains a complex mixture of proteases and non-protease components. These enzymes perform an important role in proteolytic modulation of the cellular matrix in numerous physiologic processes, including anti-inflammatory, anti-thrombotic and fibrinolytic functions. Due to the scale of global production of pineapple (Ananas comosus L.), and the high percentage of waste generated in their cultivation and processing, several studies have been conducted on the recovery of bromelain. The aim of this study was to purify bromelain from pineapple wastes using an easy-to-scale-up process of precipitation by ethanol. The results showed that bromelain was recovered by using ethanol at concentrations of 30% and 70%, in which a purification factor of 2.28 fold was achieved, and yielded more than 98% of the total enzymatic activity. This enzyme proved to be susceptible to denaturation after the lyophilization process. However, by using 10% (w/v) glucose as a cryoprotector, it was possible to preserve 90% of the original enzymatic activity. The efficiency of the purification process was confirmed by SDS-PAGE, and native-PAGE electrophoresis, fluorimetry, circular dichroism and FTIR analyzes, showing that this method could be used to obtain highly purified and structurally stable bromelain. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Proteine im Wein

Untersucht wird die Proteinzusammensetzung verschiedener Weinsorten der Anbaugebiete Rheinhessen, Rheingau und Pfalz. Es erfolgt erstmalig die Identifizierung der Proteine eines Rotweins (Portugieser 2005 aus der Pfalz). Hierzu werden die Proteine mittels Dialyse und Gefriertrocknung konzentriert, auf einer SDS-PAGE aufgetrennt und mittels ESI-Q-TOF-Massenspektrometrie identifiziert. Von den identifizierten Proteinen des Rotweins stammen zwölf aus der Weinbeere und sechs werden im Laufe der Weinbereitung durch die Hefe ein-gebracht. Der Großteil der über die Weinbeere in den Wein gelangten Proteine ist der Gruppe der Pathogenese bezogenen Proteine zuzuordnen. Ein Vergleich der Proteinzusammensetzung verschiedener Rotweine, Weißweine und Rosé-weine zeigt, dass ein gemeinsames Proteinspektrum in allen Weinsorten enthalten ist, es je-doch auch Unterschiede hinsichtlich der Proteinzusammensetzung und Konzentration der ein-zelnen Proteine zwischen den Rebsorten, insbesondere roten und weißen, gibt. In Portugieser Rotwein des Jahrgangs 2005 aus der Pfalz sowie in Dornfelder Rotwein der Jahrgänge 2002, 2003, 2004 und 2005 kann das als Allergen beschriebene Lipid Transfer Pro-tein (Isoform 4) nachgewiesen werden. In den untersuchten Weißweinsorten Riesling, Sau-vignon Blanc, Morio Muskat sowie Gewürztraminer ist dieses nicht bzw. nur in sehr geringen Mengen enthalten. Ebenfalls nur in Rotwein wird eine Klasse IV Endochitinase identifiziert, die als Allergen in jungem Rotwein bereits beschrieben wurde. Außerdem bedingen Chitin-asen zusammen mit den Thaumatin-ähnlichen Proteinen die Proteininstabilität. Thaumatin-ähnliche Proteine stellen in allen Weinsorten den größten Anteil der Proteine dar. Viele der Weinproteine liegen in glykosylierter Form vor, was durch die Perjodsäurefärbung und den Lektinblot gezeigt werden kann. Mit der Detektion von Thaumatin-ähnlichen Proteinen, Lipid Transfer Proteinen sowie einer Endochitinase werden potentielle Allergene im Wein nachgewiesen sowie strukturell mit be-kannten Allergenen verglichen. Die Kenntnis der Proteinzusammensetzung im Wein bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen zur Weinstabilität und zur Allergenität von Weinproteinen.

Strategie formulative per la veicolazione nasale di farmaci

Microparticelle a base di complessi polielettrolitici di Chitosano/Pectina per il rilascio nasale di Tacrina cloridrato. Lo scopo di questo studio è stata la ricerca di nuove formulazioni solide per la somministrazione nasale di Tacrina cloridrato allo scopo di ridurre l’eccessivo effetto di primo passaggio epatico ed aumentarne la biodisponibilità a livello del Sistema Nervoso Centrale. La Tacrina è stata incapsulata in microparticelle mucoadesive a base di complessi elettrolitici di chitosano e pectina. Le microparticelle sono state preparate mediante due diversi approcci tecnologici (spray-drying e spray-drying/liofilizzazione) e analizzate in termini di caratteristiche dimensionali, morfologiche e chimico-fisiche. Nanoparticelle di Chitosano reticolate con Sodio Cromoglicato per il trattamento della rinite allergica. Il Sodio Cromoglicato è uno dei farmaci utilizzati per il trattamento della rinite allergica. Come noto, la clearance mucociliare provoca una rapida rimozione dei farmaci in soluzione dalla cavità nasale, aumentando così il numero di somministrazioni giornaliere e, di conseguenza, riducendo la compliance del paziente. Per ovviare a tale problema, si è pensato di includere il sodio cromoglicato in nanoparticelle di chitosano, un polimero capace di aderire alla mucosa nasale, prolungare il contatto della formulazione con il sito di applicazione e ridurre il numero di somministrazioni giornaliere. Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate in termini di dimensioni, resa, efficienza di incapsulazione e caricamento del farmaco, potenziale zeta e caratteristiche mucoadesive. Analisi quantitativa di Budesonide amorfa tramite calorimetria a scansione differenziale. È stato sviluppato un nuovo metodo quantitativo allo stato solido basato sulla Calorimetria a Scansione Differenziale (DSC) in grado di quantificare in modo selettivo e accurato la quantità di Budesonide amorfa presente in una miscela solida. Durante lo sviluppo del metodo sono stati affrontati problemi relativi alla convalida di metodi analitici su campioni solidi quali la miscelazione di polveri solide per la preparazione di miscele standard e il calcolo della precisione.

Proceedings of the Twenty-Fifth Annual Biochemical Engineering Symposium

The Annual Biochemical Engineering Symposium Series started in 1970 when Professors Larry E. Erickson (Kansas State University) and Peter J. Reilly (then with University of Nebraska-Lincoln) got together in Manhattan, KS along with their students for a half-day powwow and technical presentation by their students. Ever since then, it has been a forum for Biochemical Engineering students in the heartland of USA to present their research to their colleagues in the form of talks and posters. The institutions actively involved with this annual symposium include Colorado State University, Kansas State University, Iowa State University, University of Colorado, University of Kansas, University of Missouri-Columbia, and University of Oklahoma. The University of lowa and University of Nebraska-Lincoln have also participated in the conference in recent years. The host institutions for the different symposia have been: Kansas State University (1, 3, 5, 9, 12, 16, 20), Iowa State University (6, 7, 10, 13, 17, 22), University of Missouri-Columbia (8, 14, 19, 25), Colorado State University (II, 15, 21), University of Colorado (18, 24), University of Nebraska-Lincoln (2, 4), University of Oklahoma (23). The next symposium will be held at Kansas State University. Proceedings of the Symposium are edited by faculty of the host institution and include manuscripts written and submitted by the presenters (students). These often include works-in-progress and final publication usually takes place in refereed journals. ContentsPatrick C. Gilcrease and Vincent G. Murphy, Colorado State University. Use of 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) As A Nitrogen Source By A Pseudomonas florescens Species Under Aerobic Conditions. Marulidharan Narayanan, Lawrence C. Davis, and Larry E. Erickson, Kansas State University. Biodegradation Studies of Chlorinated Organic Pollutants in a Chamber in the Presence of Alfalfa Plants. S.K. Santharam, L.E. Erickson, and L.T. Fan, Kansas State University.Surfactant-Enhanced Remediation of a Non-Aqueous Phase Contaminant in Soil. Barry Vant-Hull, Larry Gold, and Robert H. Davis, University of Colorado.The Binding of T7 RNA Polymerase to Double-Stranded RNA. Jeffrey A. Kern and Robert H. Davis, University of Colorado.Improvement of RNA Transcription Yield Using a Fed-Batch Enzyme Reactor. G. Szakacs, M. Pecs, J. Sipocz, I. Kaszas, S.R. Deecker, J.C. Linden, R.P. Tengerdy, Colorado State University.Bioprocessing of Sweet Sorghum With In Situ Produced Enzymes. Brad Forlow and Matthias Nollert, University of Oklahoma.The Effect of Shear Stress ad P-selectin Site Density on the Rolling Velocity of White Blood Cells. Martin C. Heller and Theodore W. Randolph, University of Colorado.The Effects of Plyethylene Glycol and Dextran on the Lyophilization of Human Hemoglobin. LaToya S. Jones and Theodore W. Randolph, University of Colorado.Purification of Recombinant Hepatitis B Vaccine: Effect of Virus/Surfactant Interactions. Ching-Yuan Lee, Michael G. Sportiello, Stephen Cape, Sean Ferree, Paul Todd, Craig E. Kundrot, and Cindy Barnes, University of Colorado.Application of Osmotic Dewatering to the Crystallization of Oligonucleotides for Crystallography. Xueou Deng, L.E. Erickson, and D.Y.C. Fung, Kansas State University.Production of Protein-Rich Beverages from Cheese Whey and Soybean by rapid Hydration Hydrothermal Cooking. Pedro M. Coutinho, Michael K. Dowd, and Peter J. Reilly, Iowa State University.Automated Docking of Glucoamylase Substrates and Inhibitors. J. Johansson and R.K. Bajpai, University of Missouri.Adsorption of Albumin on Polymeric Microporous Membranes.

Atividade antioxidante in vitro de extrato de folhas de oliveira (Olea europaea L.) e seu efeito protetor sobre danos oxidativos em eritrócitos humanos

O objetivo do presente estudo foi avaliar a atividade antioxidante de extrato de folhas de oliveira (EFO) (Olea europaea L.) por diferentes metodologias analíticas in vitro e in situ, para verificação de efeito em sistemas biológicos. O extrato foi obtido a partir de folhas secas de oliveira, previamente micronizadas, em metanol/água (80/20%) na proporção 1:20 (m/v), após remoção de compostos solúveis em n-hexano. Após liofilização, no EFO foi avaliado o poder redutor por Folin-Ciocalteau, conteúdo de flavonoides totais, teor de oleuropeina, poder de redução do íon férrico (FRAP) e atividade antioxidante sobre DPPHo, ABTSo+, ânion superóxido (O2o-), ácido hipocloroso (HOCl) e óxido nítrico (NOo). O extrato foi também avaliado quanto ao efeito protetor sobre danos oxidativos em eritrócitos humanos. O ácido ascórbico foi utilizado como referência. O experimento foi repetido seis vezes (n = 6) e os ensaios realizados em duplicata. O poder redutor do extrato e o conteúdo de flavonoides totais e oleuropeína foram 131,7 ± 9,4 mg equivalente de ácido gálico/g extrato seco (ms), 19,4 ± 1,3 mg equivalente de quercetina/g ms e 25,5 ± 5,2 mg oleuropeína/g ms, respectivamente. O ensaio de FRAP apresentou 281,8 ± 22,8 mg equivalente de trolox/g ms. O EFO foi efetivo na inibição dos radicais DPPHo e ABTSo+, dependente da concentração de extrato, com valores de IC50 de 13,8 ± 0,8 e 16,1 ± 1,2 µg/mL, respectivamente. Com relação à atividade antioxidante sobre espécies reativas de importância biológica, o EFO apresentou forte capacidade de inibição de O2o- (IC50 = 52,6 ± 2,1 µg/mL) e NOo (IC50 = 48,4 ± 6,8 µg/mL), quando comparado ao ácido ascórbico. Porém, a inibição de HOCl não foi tão eficiente (IC50 = 714,1 ± 31,4 µg/mL). O EFO inibiu a hemólise induzida em eritrócitos de maneira dependente da concentração (IC50 = 7,8 ± 1,1 µg/mL), assim como a peroxidação lipídica e a formação de meta-hemoglobina, com valores de IC50 de 38,0 ± 11,7 e 186,3 ± 29,7 µg/mL, respectivamente. Os resultados obtidos neste estudo sugerem que extrato de folhas de oliveira possui efetiva atividade antioxidante em sistemas biológicos, pelo efeito sequestrador de determinadas espécies reativas que participam dos processos bioquímicos, e pela prevenção de danos oxidativos em eritrócitos humanos. Portanto, sua ingestão pode estar relacionada com a prevenção de estresse oxidativo in vivo, com consequentes benefícios à saúde.

Resposta imune do antígeno de superfície de hepatite B administrado via nasal em nanopartículas de quitosana liofilizadas

A nanotecnologia tornou possível estruturar nanopartículas (NPs), utilizando-se polímeros biodegradáveis e atóxicos, como a quitosana (QS) - capaz de carrear e disponibilizar antígenos para a mucosa, devido sua propriedade mucoadesiva. Uma vacina liofilizada, em comparação a uma formulação líquida, possui inúmeras vantagens, tais como melhora na estabilidade do produto e melhor resistência às variações de temperatura, aumentando sua vida de prateleira e possibilitando melhor logística do produto aos locais onde o acesso à rede refrigerada é difícil; ademais, um produto liofilizado tem sua mucoadesividade aumentada, possibilitando maior tempo de permanência na mucosa. O presente trabalho teve como objetivo observar a resposta imune, em camundongos, de uma vacina desenvolvida por um mecanismo de entrega intranasal do HBsAg (Antígeno de superfície da Hepatite B) encapsulado pelo método de incorporação em nanopartículas de quitosana (NPs) liofilizadas. A formação das NPs foi realizada pela interação eletroestática da quitosana e do TPP (tripolifosfato de sódio), utilizando método de geleificação iônica. Formulações de NPs com glicina 5% apresentaram boas características após reconstituição, umidade residual inferior a 1% e processo de liofilização de 13 horas. Foi avaliada a imunogenicidade da inoculação do HBsAg em formulações de NPs de quitosana líquida e liofilizada, verificando-se que a forma líquida produziu anticorpos IgG contra HBsAg.

Otimização do método lignina brometo de acetila na determinação do teor de lignina em plantas forrageiras e comparação com os métodos lignina detergente ácido e lignina Klason

Técnicas analíticas empregadas para a quantificação do teor de lignina em plantas forrageiras, atualmente em uso, são questionáveis quanto às suas acurácias. O método lignina detergente ácido (LDA), que é um dos métodos mais utilizado em Ciência Animal e Agronomia, apresenta algumas falhas, particularmente devido à parcial solubilização da lignina durante a preparação da fibra em detergente ácido (FDA). A lignina Klason (LK), outro método muito usado, apresenta o inconveniente de mensurar a proteína da parede celular como sendo lignina. Em ambos os procedimentos recomenda-se também mensurar cinzas nos resíduos de lignina. A quantificação da concentração de lignina pelo método espectrofotométrico lignina brometo de acetila (LBA) vem ganhando interesse de pesquisadores no Brasil e no exterior. Nesta metodologia, a lignina da planta contida na preparação parede celular (PC) é solubilizada numa solução a 25% de brometo de acetila em ácido acético e a absorbância mensurada é com luz UV a 280 nm. O valor da absorbância é inserido numa equação de regressão e a concentração de lignina é obtida. Para que esta técnica analítica seja mais aceita pelos pesquisadores, ela deve ser, obviamente, convincente e atrativa. O presente trabalho analisou alguns parâmetros relacionados à LBA em 7 gramíneas e 6 leguminosas, em dois estádios de maturidade. Dentre as diferentes temperaturas de pré-secagem, os resultados indicaram que os procedimentos de 55°C com ventilação e liofilização podem ser utilizados com a mesma eficácia. As temperaturas de 55°C sem ventilação e 80°C sem ventilação não são recomendadas, pois aumentaram os valores de FDA e LDA, possivelmente devido ao surgimento de artefatos de técnica como os compostos de Maillard. No método LBA os valores menores das amostras de leguminosas chamaram a atenção e colocaram em questão se a lignina destas plantas seria menos solúvel no reagente brometo de acetila. Dentre algumas alterações na metodologia da técnica LBA, a utilização do moinho de bolas (para diminuir o tamanho particular) nas amostras de PC não mostrou efeito; a hipótese era melhorar a solubilização da lignina usando partículas menores. O uso de um ultrasonicador, que aumenta a vibração das moléculas e assim, facilitaria a solubilização da lignina no reagente brometo de acetila, melhorou a solubilização da lignina em cerca de 10%, tanto nas gramíneas como nas leguminosas. Foi acoplado um ensaio biológico como referência, a degradabilidade in vitro da matéria seca (DIVMS); e como a lignina está intimamente associada à estrutura fibrosa da parede celular, também foi feito um ensaio de degradabilidade in vitro da fibra em detergente neutro (DIVFDN). Os resultados confirmaram o efeito da maturidade, reduzindo a degradabilidade nas plantas mais maduras, e que o teor de lignina de leguminosas é realmente inferior ao de gramíneas. Os resultados de degradabilidade apresentaram coeficientes de correlação mais elevados com o método LBA, quando foi empregada a técnica do ultrasom; o método LK mostrou os menores coeficientes. Também testou-se, com sucesso, a utilização da FDN, como preparação fibrosa, ao invés de PC. A razão é simples: enquanto que a FDN é amplamente conhecida, a preparação PC não o é. Inquestionável que esta manobra facilitará substancialmente a divulgação desse método, tornando-a mais aceitável pela comunidade científica

Estabilidade química e funcional dos compostos bioativos da polpa de buriti congelada, liofilizada e atomizada

O buriti (Mauritia flexuosa L.) é um fruto rico em carotenoides, ácidos graxos e compostos fenólicos com grande potencial de industrialização. Entretanto, sua vida útil reduzida dificulta a comercialização e um maior aproveitamento. Dessa forma, tecnologias de processamento podem ser empregadas para que haja maior utilização e expansão do buriti. Este trabalho teve como objetivo caracterizar polpa de buriti congelada, liofilizada e atomizada, quantificando os compostos bioativos (carotenoides e ácidos graxos), a composição centesimal e mineral, além de avaliar a estabilidade química e funcional da polpa submetida a esses tratamentos ao longo do tempo de armazenamento. Polpas de buriti oriunda da Comunidade Boa Vista, zona rural do município de Arinos, MG, foram submetidas a três processamentos: congelamento (eleito como controle), liofilização e atomização (com adição de maltodextrina como coadjuvante de tecnologia). Após o processamento, as polpas foram acondicionadas em embalagens laminadas compostas por poliéster, alumínio e polietileno (25 x 25 cm), com capacidade para 100 g cada, e armazenadas a -23 °C para o congelamento e a temperatura ambiente para as polpas desidratadas. As análises físicas, químicas, nutricionais e funcionais foram realizadas logo após o processamento, para caracterização das polpas e nos períodos: 1, 14, 28, 42 e 56 dias, para avaliação da estabilidade. O delineamento experimental empregado constituiu-se de dois fatores (processamento e período) e a interação entre eles. Os dados foram analisados estatisticamente por meio da Análise de Variância Univariada (ANOVA) com nível de significância de 5 %. Constatou-se que durante a estocagem a polpa liofilizada apresentou maior brilho, menor opacidade, valores inferiores para o pH, menor variação da atividade de água e maior acidez titulável. Esses parâmetros são importantes indicadores de qualidade da polpa durante a sua estocagem, visto que dificultam o desenvolvimento microbiano. A adição da maltodextrina no processo de atomização acarretou maiores teores de sólidos solúveis em relação aos demais tratamentos. Os resultados demonstraram que, ao longo do armazenamento, a liofilização contribuiu para a melhor preservação dos carotenoides totais. A quantificação dos carotenoides e dos ácidos graxos na polpa congelada demonstrou que houve melhor preservação de carotenoides do tipo alfa e beta caroteno, dos ácidos graxos oleico, indicando maior valor nutricional para a alimentação humana. Apesar dos resultados satisfatórios para a polpa congelada, durante o tempo analisado a polpa congelada apresentou maiores perdas em relação à polpa liofilizada. Para a classe dos compostos fenólicos, a liofilização apresentou melhores resultados ao longo da estocagem. O uso de baixas temperaturas foi mais efetivo para a preservação dos compostos bioativos analisados. Portanto, pode-se concluir que o emprego da liofilização é a alternativa mais adequada entre as avaliadas, para o aproveitamento da polpa de buriti na indústria de alimentos, uma vez que esse tratamento preservou todos os constituintes avaliados durante a estocagem.

Novel analytical methodologies for the monitoring of traditional and non-traditional pollutants in different environmental compartments of South Florida

Routine monitoring of environmental pollution demands simplicity and speed without sacrificing sensitivity or accuracy. The development and application of sensitive, fast and easy to implement analytical methodologies for detecting emerging and traditional water and airborne contaminants in South Florida is presented. A novel method was developed for quantification of the herbicide glyphosate based on lyophilization followed by derivatization and simultaneous detection by fluorescence and mass spectrometry. Samples were analyzed from water canals that will hydrate estuarine wetlands of Biscayne National Park, detecting inputs of glyphosate from both aquatic usage and agricultural runoff from farms. A second study describes a set of fast, automated LC-MS/MS protocols for the analysis of dioctyl sulfosuccinate (DOSS) and 2-butoxyethanol, two components of Corexit®. Around 1.8 million gallons of those dispersant formulations were used in the response efforts for the Gulf of Mexico oil spill in 2010. The methods presented here allow the trace-level detection of these compounds in seawater, crude oil and commercial dispersants formulations. In addition, two methodologies were developed for the analysis of well-known pollutants, namely Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and airborne particulate matter (APM). PAHs are ubiquitous environmental contaminants and some are potent carcinogens. Traditional GC-MS analysis is labor-intensive and consumes large amounts of toxic solvents. My study provides an alternative automated SPE-LC-APPI-MS/MS analysis with minimal sample preparation and a lower solvent consumption. The system can inject, extract, clean, separate and detect 28 PAHs and 15 families of alkylated PAHs in 28 minutes. The methodology was tested with environmental samples from Miami. Airborne Particulate Matter is a mixture of particles of chemical and biological origin. Assessment of its elemental composition is critical for the protection of sensitive ecosystems and public health. The APM collected from Port Everglades between 2005 and 2010 was analyzed by ICP-MS after acid digestion of filters. The most abundant elements were Fe and Al, followed by Cu, V and Zn. Enrichment factors show that hazardous elements (Cd, Pb, As, Co, Ni and Cr) are introduced by anthropogenic activities. Data suggest that the major sources of APM were an electricity plant, road dust, industrial emissions and marine vessels.

In vitro and in vivo evaluation of lyophilized bioprosthetic valve

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)