Sugar ester biosurfactants for food industry applications

Abstract

Biosurfactants are compounds with surface activity constituting the major class of natural surfactants that present interesting features (e.g. emulsifying capacity) for the food industry. These compounds have several advantages over synthetic surfactants such as degradability, can be synthesized from renewable substrates as carbohydrates and fatty acids, and low toxicity. In this sense, the purpose of this thesis is to synthesize new biosurfactants, in particular fructose, sucrose and lactose esters, for potential use in the food industry. Several synthesis experiments were performed under different experimental conditions to maximize the esterification reaction yield, and consequently the production of biosurfactant. The sugar ester biosurfactants purity was the determinant factor for these studies. The synthesis assays were performed in shake flasks under controlled temperature, time and agitation, according to the optimal criteria for the lipases used, namely Candida antarctica type B (CALB) lipase and porcine pancreas lipase (PPL). An experimental design was conducted in order to optimize the yield of fructose esters production from fructose, oleic acid and ethanol using CALB. Temperature and reaction time were found to be the most significant parameters. The optimum conditions were 57.1 ºC, 100 rpm and 37.8 h and a maximum esterification yield of 88.4% was obtained. Afterwards, the lipases from CALB and PPL were used with different carbohydrates (fructose, sucrose and lactose), fatty acids (oleic and linoleic) and solvents (ethanol and ethyl acetate), in order to explore the synthesis of novel sugar esters with improved characteristics. The optimal conditions have been established for all set of experiments and the sugar ester biosurfactants have been characterized according to their surface activity and emulsification index (EI). In the experiments for which CALB was used, lactose ester synthesized using linoleic acid and ethanol presented the highest esterification yield (83.5%). However, the fructose esters obtained showed a better performance regarding their ability to reduce surface tension (35.8 mN/m) and to stabilize an emulsion (EI between 54.4 and 58.4%). Regarding the use of PPL, the highest esterification yields (47.6%) were observed for sucrose esters, which presented the best reduction of surface tension (33.4 mN/m) and EI (between 58.1 and 58.4%). Finally, CALB was immobilized on chitosan and used to synthesize sugar ester biosurfactants. The enzyme immobilization on chitosan showed the highest yield in the lactose ester production (84.1%) compared with the results obtained with the lipase CALB immobilized on acrylic resin. Additionally, the production of fructose ester was found to be higher for CALB immobilized on acrylic resin (74.3%). Sugar ester biosurfactants were then added to samples of fresh coconut milk and characterized according to their surface activity, EI and particle size distribution. Results indicated the lactose ester as the best biosurfactant (surface tension reduction 38.0 mN/m, EI = 54.1%), although good results were also found for the other sugar esters. In summary, the results gathered in this thesis demonstrate the potential of sugar ester biosurfactants for food industry applications.

Biosurfactantes são compostos com actividade de superfície que constituem a principal classe de surfactantes naturais e que apresentam características interessantes (por exemplo, capacidade emulsificante) para a indústria alimentar. Estes compostos têm várias vantagens sobre os surfactantes sintéticos, são biodegradáveis, podem ser sintetizados a partir de substratos renováveis tais como os carboidratos e ácidos graxos, e têm baixa toxicidade. Nesse sentido, o objectivo desta tese é sintetizar novos biosurfactantes, em particular os ésteres de frutose, sacarose e lactose, para potencial uso na indústria de alimentos. Vários experimentos de síntese foram realizados sob diferentes condições experimentais para maximizar o rendimento da reacção de esterificação e, consequentemente, a produção de biosurfactantes. A pureza dos ésteres de açúcar biosurfactantes foi o factor determinante para esses estudos. Os ensaios de síntese foram realizados em matraz sob condições controladas de temperatura, tempo e agitação, de acordo com os critérios óptimos para as lipases utilizadas, nomeadamente a lipase Candida antarctica tipo B (CALB) e lipase pâncreas de porco (PPL). Um delineamento experimental foi conduzido de forma a optimizar o rendimento da produção de ésteres de frutose a partir de frutose, ácido oléico e etanol utilizando CALB. A temperatura e o tempo de reacção foram considerados os parâmetros mais significativos. As condições óptimas foram 57.1 ºC, 100 rpm e 37.8 h e um rendimento máximo de esterificação de 88.4% foi obtido. Posteriormente, as lipases CALB e PPL foram utilizadas com diferentes carboidratos (frutose, sacarose e lactose), ácidos graxos (oléico e linoléico) e solventes (etanol e acetato de etila), a fim de explorar a síntese de novos ésteres de açúcar com características melhoradas. As condições óptimas foram estabelecidas para todo o conjunto de experimentos e os ésteres de açúcar biosurfactantes foram caracterizados de acordo com sua actividade superficial e índice de emulsificação (IE). Nos experimentos onde a lipase CALB foi utilizada, o éster de lactose sintetizado usando ácido linoléico e etanol apresentou o maior rendimento de esterificação (83.5%). No entanto, os ésteres de frutose obtidos mostraram melhor desempenho quanto à capacidade de reduzir a tensão superficial (35.8 mN/m) e para estabilidade da emulsão (EI entre 54.4 e 58.4%). Quanto ao uso da PPL, o maior rendimento de esterificação (47.6%) foi observado nos ésteres de sacarose, que apresentaram a melhor redução de tensão superficial (33.4 mN/m) e EI (entre 58.1 e 58.4%). Finalmente, a lipase CALB foi imobilizada em quitosana e usada para sintetizar ésteres de açúcar biosurfactantes. A imobilização da enzima em quitosana apresentou o maior rendimento na produção de éster de lactose (84.1%) em comparação com os resultados obtidos com a lipase CALB imobilizada em resina acrílica. Além disso, a produção de éster de frutose foi maior com a lipase CALB imobilizada em resina acrílica (74.3%). Em seguida, ésteres de açúcar biosurfactantes foram adicionados às amostras de leite de coco fresco e caracterizadas de acordo com sua actividade superficial, EI e distribuição do tamanho das partículas. Os resultados indicaram o éster de lactose como o melhor biosurfactante (tensão superficial 38.0 mN/m, EI = 54.1%), embora bons resultados também foram encontrados para os outros ésteres de açúcar. Em resumo, os resultados obtidos nesta tese demonstraram o potencial dos ésteres de açúcar biosurfactantes para aplicações na indústria alimentar.