Screening of Food Grade Lipases to be Used in Esterification and Interesterification Reactions of Industrial Interest

Seven food grade commercially available lipases were immobilized by covalent binding on polysiloxane-polyvinyl alcohol (POS-PVA) hybrid composite and screened to mediate reactions of industrial interest. The synthesis of butyl butyrate and the interesterification of tripalmitin with triolein were chosen as model reactions. The highest esterification activity (240.63 mu M/g min) was achieved by Candida rugosa lipase, while the highest interesterification yield (31%, in 72 h) was achieved by lipase from Rhizopus oryzae, with the production of about 15 mM of the triglycerides C(50) and C(52). This lipase also showed a good performance in butyl butyrate synthesis, with an esterification activity of 171.14 mu M/g min. The results demonstrated the feasibility of using lipases from C. rugosa for esterification and R. oryzae lipase for both esterification and interesterification reactions.

Processos de purificação/ valorização do glicerol proveniente da produção de biodiesel

Mestrado em Engenharia Química - Ramo optimização energética na indústria química

Cutinase promotes dry esterification of cotton cellulose

Cutinase from Thermobifida fusca was used to esterify the hydroxyl groups of cellulose with the fatty acids from triolein. Cutinase and triolein were pre-adsorbed on cotton and the reaction proceeded in a dry state during 48 hours at 35ºC. The cutinase-catalyzed esterification of the surface of cotton fabric resulted in the linkage of the oleate groups to the glycoside units of cotton cellulose. The superficial modification was confirmed by performing ATR-FTIR on treated cotton samples and by MALDI-TOF analysis of the liquors from the treatment of the esterified cotton with a crude cellulase mixture. Modified cotton fabric also showed a significant increase of hydrophobicity. This work proposes a novel bio-based approach to obtain hydrophobic cotton. This article is protected by copyright. All rights reserved.

A high-fructose diet impairs basal and stress-mediated lipid metabolism in healthy male subjects

Rapport de synthèse : La consommation de boissons sucrées contenant du fructose a remarquablement augmenté ces dernières décennies et, on pense qu'elle joue un rôle important dans l'épidémie actuelle d'obésité et de troubles métaboliques. Des études faites sur des rats ont montré qu'une alimentation riche en sucre ou fructose induisait une obésité, une résistance à l'insuline, diabète, dyslipidémie et une hypertension artérielle, tandis que chez l'homme, une alimentation riche en fructose conduit, après quelques jours, au développement d'une hypertryglycémie et une résistance hépatique à l'insuline. Nous avons entrepris une étude de 7 jours d'alimentation riche en fructose ou d'une alimentation contrôlée chez six hommes en bonne santé. Les NEFA plasmatiques et la beta-hydroxybutyrate, l'oxydation nette de lipide (calorimétrie indirecte) et l'oxydation exogène de lipide (13 CO2) ont été surveillés dans des conditions basales, et après un chargement en lipide (huile d'olive marqué au 13C-trioléine), puis durant un stress mental standardisé. La clearance de lactate et les effets métaboliques de la perfusion de lactate exogène ont également été évalués. Nos résultats ont montré que l'alimentation riche en fructose diminue la concentration plasmatique de NEFA, de beta-hydroxybutyrate de même que l'oxydation des lipides dans les conditions de bases et après surcharge en lipides. De plus, l'alimentation riche en fructose amortie l'augmentation des NEFA plasmatique et l'oxydation des lipides exogènes durant le stress mental. Elle augmente également la concentration basale de lactate et la production de lactate de respectivement 31.8% et 53.8%, tandis que la clearance du lactate reste inchangée. L'injection de lactate diminue le taux des NEFA lors de l'alimentation de contrôle et l'alimentation de base, et l'oxydation nette de lipide lors de l'alimentation de contrôle et l'alimentation riche en fructose. Ces résultats indiquent que 7 jours d'alimentation riche en fructose inhibent remarquablement la lipolyse et l'oxydation des lipides. L'alimentation riche en fructose augmente aussi la production de lactate, et l'augmentation de l'utilisation de lactate peut contribuer à supprimer l'oxydation des lipides. Abstact : The effects of a 7 d high-fructose diet (HFrD) or control diet on lipid metabolism were studied in a group of six healthy lean males. Plasma NEFA and β-hydroxybutyrate concentrations, net lipid oxidation (indirect calorimetry) and exogenous lipid oxidation (13CO2 production) were monitored in basal conditions, after lipid loading (olive oil labelled with [13C] triolein) and during a standardised mental stress. Lactate clearance and the metabolic effects of an exogenous lactate infusion were also monitored. The HFrD lowered plasma concentrations of NEFA and (β-hydroxybutyrate as well as lipid oxidation in both basal and after lipid-loading conditions. In addition, the HFrD blunted the increase in plasma NEFA and exogenous lipid oxidation during mental stress. The HFrD also increased basal lactate concentrations by 31.8%, and lactate production by 53.8 %, while lactate clearance remained unchanged. Lactate infusion lowered plasma NEFA with the control diet, and net lipid oxidation with both the HFrD and control diet. These results indicate that a 7 d HFrD markedly inhibits lipolysis and lipid oxidation. The HFrD also increases lactate production, and the ensuing increased lactate utilisation may contribute to suppress lipid oxidation.

A high-fructose diet impairs basal and stress-mediated lipid metabolism in healthy male subjects.

The effects of a 7 d high-fructose diet (HFrD) or control diet on lipid metabolism were studied in a group of six healthy lean males. Plasma NEFA and beta-hydroxybutyrate concentrations, net lipid oxidation (indirect calorimetry) and exogenous lipid oxidation (13CO2 production) were monitored in basal conditions, after lipid loading (olive oil labelled with [13C]triolein) and during a standardised mental stress. Lactate clearance and the metabolic effects of an exogenous lactate infusion were also monitored. The HFrD lowered plasma concentrations of NEFA and beta-hydroxybutyrate as well as lipid oxidation in both basal and after lipid-loading conditions. In addition, the HFrD blunted the increase in plasma NEFA and exogenous lipid oxidation during mental stress. The HFrD also increased basal lactate concentrations by 31.8 %, and lactate production by 53.8 %, while lactate clearance remained unchanged. Lactate infusion lowered plasma NEFA with the control diet, and net lipid oxidation with both the HFrD and control diet. These results indicate that a 7 d HFrD markedly inhibits lipolysis and lipid oxidation. The HFrD also increases lactate production, and the ensuing increased lactate utilisation may contribute to suppress lipid oxidation.

Fast and economic immobilization methods described for non-commercial Pseudomonas lipases

There is an increasing interest to seek new enzyme preparations for the development of new products derived from bioprocesses to obtain alternative bio-based materials. In this context, four non-commercial lipases from Pseudomonas species were prepared, immobilized on different low-cost supports, and examined for potential biotechnological applications. Results: To reduce costs of eventual scaling-up, the new lipases were obtained directly from crude cell extracts or from growth culture supernatants, and immobilized by simple adsorption on Accurel EP100, Accurel MP1000 and Celite (R) 545. The enzymes evaluated were LipA and LipC from Pseudomonas sp. 42A2, a thermostable mutant of LipC, and LipI. 3 from Pseudomonas CR611, which were produced in either homologous or heterologous hosts. Best immobilization results were obtained on Accurel EP100 for LipA and on Accurel MP1000 for LipC and its thermostable variant. Lip I. 3, requiring a refolding step, was poorly immobilized on all supports tested ( best results for Accurel MP1000). To test the behavior of immobilized lipases, they were assayed in triolein transesterification, where the best results were observed for lipases immobilized on Accurel MP1000. Conclusions: The suggested protocol does not require protein purification and uses crude enzymes immobilized by a fast adsorption technique on low-cost supports, which makes the method suitable for an eventual scaling up aimed at biotechnological applications. Therefore, a fast, simple and economic method for lipase preparation and immobilization has been set up. The low price of the supports tested and the simplicity of the procedure, skipping the tedious and expensive purification steps, will contribute to cost reduction in biotechnological lipase-catalyzed processes.

Biomolecules produced in liquid-state fermentation by a marine-derived fungus, Penicillium roqueforti

Screening of biomass of a new marine-derived strain of Penicillium roqueforti, as produced by liquid-state fermentation, led to the identification of several volatile organic compounds active in the fatty acid pathway as well as fragments produced by their catabolism, terpenoids, and metabolites from the shikimic acid pathway. In addition, five non-volatile organic compounds, triolein, ergosterol peroxide, 9(11)-dehydroergosterol peroxide, 4-hydroxybenzaldehyde, and d-mannitol, were isolated and identified by spectroscopy. The results showed that this fungal strain did not produce any mycotoxin in the culture conditions applied, and thus is useful for industrial applications, where high value-added biomolecules are generated.

The influence of fasting/refeeding on the lipoprotein lipase activity of adipose tissue and muscle

Lipoprotein lipase activity in adipose tissue and muscle is modulated by changes in the pattern of food intake. We have measured total lipoprotein lipase activity in adipose tissue and muscle of male Wistar rats (N = 6-10), weighing 200-250 g (~12 weeks), during the refeeding/fasting state following 24 h of fasting. Lipoprotein lipase activity in tissue homogenates was evaluated using a [³H]-triolein-containing substrate, and released [³H]-free fatty acids were extracted and quantified by liquid scintillation. Adipose tissue lipoprotein lipase activity did not completely recover within 2 h of refeeding (60% of refed ad libitum values). Cardiac lipoprotein lipase activity remained increased even 2 h after refeeding (100% of refed ad libitum values), whereas no significant changes were observed in the soleus and diaphragm muscles. Adipose tissue lipoprotein lipase activities were consistently higher than the highest skeletal muscle or heart values. It is therefore likely that adipose tissue, rather than muscle makes the major contribution to triacylglycerol clearance. There was concomitant relatively high lipoprotein lipase activity in both adipose tissue and cardiac muscle during the first few hours of refeeding, therefore cardiac muscle may contribute significantly to triacylglycerol clearance during this period. The results suggest that during fasting, increased lipoprotein lipase activity provides a complementary source of free fatty acids from circulating triacylglycerol, allowing the heart to maintain its continuous, high-energy expenditure.

Lipolysis of emulsion models of triglyceride-rich lipoproteins is altered in male patients with abdominal aorta aneurysm

Disorders of the lipid metabolism may play a role in the genesis of abdominal aorta aneurysm. The present study examined the intravascular catabolism of chylomicrons, the lipoproteins that carry the dietary lipids absorbed by the intestine in the circulation in patients with abdominal aorta aneurysm. Thirteen male patients (72 ± 5 years) with abdominal aorta aneurysm with normal plasma lipid profile and 13 healthy male control subjects (73 ± 5 years) participated in the study. The method of chylomicron-like emulsions was used to evaluate this metabolism. The emulsion labeled with 14C-cholesteryl oleate and ³H-triolein was injected intravenously in both groups. Blood samples were taken at regular intervals over 60 min to determine the decay curves. The fractional clearance rate (FCR) of the radioactive labels was calculated by compartmental analysis. The FCR of the emulsion with ³H-triolein was smaller in the aortic aneurysm patients than in controls (0.025 ± 0.017 vs 0.039 ± 0.019 min-1; P < 0.05), but the FCR of14C-cholesteryl oleate of both groups did not differ. In conclusion, as indicated by the triglyceride FCR, chylomicron lipolysis is diminished in male patients with aortic aneurysm, whereas the remnant removal which is traced by the cholesteryl oleate FCR is not altered. The results suggest that defects in the chylomicron metabolism may represent a risk factor for development of abdominal aortic aneurysm.

Étude sur l’entreposage de la matière grasse chez des femmes obèses post-ménopausées présentant un taux élevé ou normal d’apolipoprotéine B.

CONTEXTE: L'inefficacité de captation des acides gras libres (AGL) par le tissu adipeux blanc (TAB) est connue pour favoriser la résistance à l'insuline (RI) dans les tissus périphériques, mais dans le foie, elle favorise également la production accrue de lipoprotéines contenant l'apolipoprotéine B100 (lipoprotéines apoB). Nous avons récemment démontré que les femmes post-ménopausées obèses avec un nombre élevé de lipoprotéines apoB à jeun (apoB plasmatique > 1,2 g/L) avaient plus de RI que les femmes avec un taux d’apoB normal. Notre objectif était donc d'examiner si l'inefficacité de captation des AGL pourrait être un mécanisme expliquant la RI, in vivo dans cette population. HYPOTHÈSES: Les femmes ménopausées en surpoids/obèses avec un taux d’apoB élevé ont moins d'efficacité à capter les AGL par le TAB que les femmes avec un taux d’apoB faible. MÉTHODES/RÉSULTATS: L'efficacité de captation des AGL a été examinée dans 22 femmes non diabétiques en surpoids/obèses. La population a été séparée selon la médiane d’apoB (0.9 g/L) en 2 groupes; les femmes ayant un taux d’apoB inférieur vs supérieur à la médiane (N=11/groupe). L'efficacité de captation des AGL par le TAB a été indirectement évaluée en suivant le sort d'un repas riche en gras (0.0162g 13C-trioléine/g de matières grasses, 66% de gras, 47g gras/m2 surface corporelle) marqué au 13C-trioléine, sur 6h en circulation ([13C]TG et [13C]AGL plasmatiques) et en oxydation (13CO2 dans l’air expiré [AE]). L’enrichissement en 13C des échantillons d’AE et du plasma a été mesuré par spectrométrie de masse pour ratio isotopique. Les femmes ayant un apoB élevé avaient une clairance plasmatique totale postprandiale des TG (p <0,05) réduite sans diminuer de la clairance plasmatique totale des AGL, par rapport aux femmes ayant un faible taux d’apoB. Cependant, en examinant le sort du 13C-trioléine, les femmes ayant un apoB élevé avait une réduction de la clairance des [13C]TG plasmatiques (44,78 μM vs 7,81 μM; p <0,05) et des [13C]AGL plasmatiques (2,64 uM vs 0,06 uM; p <0,05) à 6h, sans aucune différence en % récupéré de 13C-trioléine dans le CO2 de l’AE. Ces données suggèrent que les femmes ayant un taux d’apoB élevé ont une réduction postprandiale de la clairance et de la captation de 13Ctrioléine par le TAB. CONCLUSION: La captation inefficace des AGL par le TAB des femmes post-ménopausées en surpoids et obèses avec un surplus d’apoB peut être un mécanisme sousjacent à la RI chez ces sujets.

Le rôle des apoB-lipoprotéines sur la clairance des gras dans le tissu adipeux blanc sous-cutané humain

OBJECTIF: La mauvaise clairance des lipoprotéines riches en triglycérides par le tissu adipeux blanc (TAB) entraîne l’hypertriglycéridémie, la résistance à l’insuline et la sécrétion hépatique d’apolipoprotéine B (apoB). Ce mémoire tente de déterminer si le LDL entraîne une clairance réduite des lipoprotéines riches en triglycérides par le TAB. MÉTHODES/RÉSULTATS: Suivant l’ingestion d’un repas riche en gras marqué à la trioléine-13C, des femmes obèses postménopausées avec apoB plasmatique élevé (> médiane 0.93 g/L, N=22, 98% sous forme de IDL/LDL) avaient une clairance réduite de triglycérides-13C et acides gras non-estérifiés-13C (AGNE), comparées à celles avec un apoB plus bas. L'aire sous la courbe à 6 heures des triglycérides-13C et AGNE-13C plasmatiques corrélait avec l'apoB, suggérant une moindre captation dans les tissus périphériques chez les femmes avec apoB élevé. Ex vivo, suivant une incubation de 4 heures de biopsies de TAB avec de la trioléine-3H, l’apoB des patientes corrélait négativement avec les lipides-3H intracellulaires. Le traitement des biopsies de TAB des participantes avec leur propre LDL menait à une réduction de l’hydrolyse et de la captation de la trioléine-3H et à l’accumulation d’AGNE-3H dans le médium. In vitro, le LDL inhibait l’activité de la LPL. De plus, les adipocytes 3T3-L1 différenciés en présence de LDL avaient une hydrolyse et une captation réduite des lipoprotéines riches en trioléine-3H. CONCLUSION: Ce mémoire suggère que le LDL diminue la clairance des lipoprotéines riches en triglycérides par le TAB humain, ce qui pourrait expliquer la résistance à l’insuline observée chez des sujets avec apoB élevé.

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Le lien entre l’apoB plasmatique et le risque de diabète de type 2 chez les individus obèses : un défaut de clairance des gras diététiques

OBJECTIF: L’apoB plasmatique prédit le diabète de type 2 chez l’humain. Une clairance ralentie des triglycérides (TG) favorise la lipotoxicité et la résistance à l’insuline (RI). Nous avons démontré ex vivo que les LDL, forme majeure d’apoB-lipoprotéines, altèrent le stockage des gras dans le tissu adipeux blanc (TAB) humain. Nous émettons l’hypothèse que le lien reliant l’apoB plasmatique à la RI et l’hyperinsulinémie est médié par un retard de clairance des gras diététiques. MÉTHODE/RÉSULTATS: Nous avons examiné la sécrétion d’insuline (SI), puis la RI lors d’un test de tolérance au glucose intraveineux suivi d’un clamp hyperinsulinémique-euglycémique chez des sujets obèses normoglycémiques (N=29, 45%hommes, indice de masse corporelle (IMC)≥27kg/m2, 45-74ans, post-ménopausés). La clairance des TG diététiques a été mesurée suivant l’ingestion d’un repas gras marqué au 13C. La fonction d’une biopsie de TAB (à jeun) a été mesurée comme la capacité à stocker un substrat de 3H-TG. L’apoB était de 1,03±0,05g/L et corrélait avec la RI, la 2ième phase de SI, un délai de clairance des TG diététiques et une réduction de la fonction du TAB. Un retard de clairance des TG diététiques était associé à la RI et la 2ième phase de SI. Une correction pour la clairance des TG diététiques ou la fonction du TAB a éliminé l’association entre l’apoB et la RI et la 2ième phase de SI. CONCLUSION: L’association entre l’apoB plasmatique et la RI et la SI chez les sujets obèses est médiée par une clairance ralentie des gras diététiques et une dysfonction du TAB.

Food restriction and refeeding induces changes in lipid pathways and fat deposition in the adipose and hepatic tissues in rats with diet-induced obesity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

COMPORTAMENTO do ÓLEO DE GIRASSOL COM ALTO TEOR DE ÁCIDO OLÉICO em TERMOXIDAÇÃO E FRITURA

Óleos de sementes de girassol com diferentes níveis de ácido oléico foram utilizados sob condições de termoxidação e fritura para avaliar o comportamento do óleo de girassol com alto teor de ácido oléico quanto ao seu grau de insaturação quando comparado com o óleo de girassol convencional. Os métodos analíticos aplicados incluíram a determinação de compostos polares totais, quantificação de compostos glicerídicos menores, quantificação da composição triglicerídica, período de indução a 100oC e níveis de a -tocoferol. Os resultados para compostos polares totais apresentaram menores valores em óleo de girassol com alto teor de ácido oléico quando comparados com óleo de girassol convencional. Quanto à distribuição dos compostos glicerídicos menores, verificou-se, de modo geral, que o aumento dos compostos polares totais estava relacionado essencialmente aos compostos de maior peso molecular, isto é, polímeros, dímeros e triglicerídios oxidados, os quais são representantes das alterações térmica e oxidativa. Já os diglicerídios e ácidos graxos, indicativos da alteração hidrolítica, permaneceram praticamente nos níveis originais; uma vez que a umidade não se encontrava presente no meio. A perda quantitativa da composição triglicerídica dependeu do grau de insaturação do triglicerídio, sendo mais elevada em triglicerídios que contêm duas ou três moléculas de ácido linoléico. em todos os casos, o óleo de girassol convencional teve uma maior tendência à polimerização, um maior grau de alteração total e uma maior perda de triglicerídios majoritários que o óleo de girassol com alto teor de ácido oléico. Assim, dentre os óleos utilizados neste estudo, os resultados mostraram um excelente comportamento do óleo de girassol com alto teor de ácido oléico em relação à termoxidação, independente do tipo de aquecimento e à fritura descontínua. Tais resultados demonstraram que sua resistência à alteração termoxidativa estava relacionada com seu baixo teor em ácidos graxos polinsaturados e alto teor em ácido oléico e trioleína.