Enzimas propriedades gerais e cinética enzimática Histórico, conceito e principais características

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Enzimologia
Imobilização e aplicações 
industriais de enzimas
Imobilização enzimática: conceito, 
vantagens e limitações
Bloco 1
Rayza Morganna Farias Cavalcanti
Imobilização de enzimas
• 1940: amilase aplicada na indústria.
• Enzimas livres.
• Imobilização enzimática.
Alto custo.
Instáveis.
Impossível à recuperação.
Dificuldade de separar 
produto-enzima.
Confinamento da biomolécula em um suporte sólido insolúvel, com 
retenção da atividade catalítica.
(SOUZA et al., 2016)
Derivado = enzima +suporte/matriz.
Por que imobilizar enzimas? 
Tabela 1 – Vantagens e limitações de enzimas imobilizadas
Fonte: adaptada de Basso e Serban (2019, p. 2)​.
Fonte: Adaptado de Basso e Serban (2019, pág. 2)
Vantagens Limitações
Fácil separação do biocatalisador.
Atividade enzimática mais baixa.Custos reduzidos de processamento 
downstream.
Reutilização do biocatalisador.
Custos adicionais de suportes, reagentes e 
processo de imobilização.Melhor estabilidade a temperaturas mais 
altas e solventes orgânicos.
Facilidade na aplicação em reatores 
enzimáticos. Taxas de reação mais baixas (transferência de 
massa).
Co-imobilização com outras enzimas.
Maior resistência a ação de inibidores. Sujeito a incrustações.
Figura 1 – Fatores que afetam a imobilização
Enzima Suporte
Imobilização
Métodos Efeitos na transferência de massa Estabilidade operacional
Fonte: adaptada de Basso e Serban (2019, p. 2).
• Reagentes atóxicos.
• Melhoria das propriedades 
funcionais.
• Biocatalisadores versáteis.
• Custo.
• Processo de imobilização.
Critérios
Suportes
Fonte: adaptado de Adhikari (2019, p. 713).
Tipo Natureza 
química
Exemplos de 
suporte
Orgânico (polímero 
natural).
Polissacarídeo. Celulose, alginato, 
quitosana, agarose.
Proteínas. Colágeno, albumina.
Orgânico (polímero 
sintético).
Sintético. Poliestireno; 
Amberlite; DEAE.
Orgânico (outro 
polímero).
Tipo misto. Poliacrilamida, 
poliamadas.
Inorgânicos. Minerais 
naturais.
Bentonita, sílica.
Materiais 
processados.
Vidro, metais.
Quadro 1 – Classificações dos suportes usados para 
imobilização enzimática
Fonte: https://commons.wikimedia.org/ 
wiki/File:Glass_microspherulites.jpg. 
Acesso em: 1 maio 2022
Figura 3 – Esferas de vidro
Figura 2 – Esferas 
de alginato
Fonte: https://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Enzymes_immobilised_in_alginat
e_gel.jpg. Acesso em: 1 maio 2022.
Métodos para imobilização enzimática
RecuperaçãoEficiênciaRendimento
IMOBILIZAÇÃO 
ENZIMÁTICA
Imobilização e aplicações 
industriais de enzimas
Imobilização por adsorção, ligação 
covalente, reticulação e aprisionamento
Bloco 2
Rayza Morganna Farias Cavalcanti
Adsorção física
• Interações:
• Regeneração do suporte.
• Limitação: aleatoriedade da interação enzima-suporte.
Figura 4 – Enzima adsorvida 
no suporte
Fonte: elaborada pela autora.
Figura 5 – Enzima imobilizada 
por ligação iônica no suporte
Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/ 
File:Ion_exchange.jpg. Acesso em: 1 maio 2022.
Interações hidrofóbicasVan der WaalsLigações de hidrogênio Ligações iônicas
Imobilização covalente 
• Vários resíduos de aminoácidos ligados covalentemente ao 
suporte – rigidez estrutural.
• Ativação do suporte – gluataraldeído e glioxila.
• Ligação covalente multiponto.
Fonte: adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Figure_1_Example_of_Enzyme_
Immobilization_by_Covalent_Binding.png. Acesso em: 30 abr. 2022.
Figura 6 – Enzima imobilizada por ligação covalente
Reticulação – imobilização sem suporte
Figura 8 - Enzima imobilizada por reticulação CLEAs
Fonte: adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CLEA.jpg. Acesso em: 1 maio 2022.
(SOUZA et al., 2016) 
Reticulados de 
enzimas (CLEs)
Cristais de enzima 
reticulados (CLECs)
Enzimas atomizadas 
reticuladas (CSDE) 
Agregados enzimáticos 
reticulados (CLEAs)
Figura 7 – Enzima imobilizada por reticulação CLECs
Fonte: adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CLEC.png. Acesso em: 3 maio 2022.
Aprisionamento
Método: polimerização da matriz porosa (suporte) em torno da enzima.
Enzima incorporada na mistura reativa a ser polimerizada. 
Confinamento da enzima no suporte.
Figura 9 – Enzima imobilizada 
aprisionamento
Fonte: elaborada pela autora.
Co-imobilização.
Não há ligação química 
entre enzima e 
suporte.
Vantagens e limitações dos métodos
Tabela 2 – Vantagens e limitações dos métodos de imobilização
Fonte: adaptada de Thangaraj e Solomon (2019, p. 162).
Métodos Vantagens Limitações
Adsorção física
Afeta pouco a estrutura da enzima.
Facilidade na dessorção da enzima do 
suporte.
Não há limitações de difusão.
Simples, baixo custo e aplicável.
Sem reagentes de reticulação.
Ligação covalente
Ligação forte. Enzimas modificadas quimicamente.
Não há vazamento da enzima.
Baixa imobilização (quantidade).
Menor risco de dessorção.
Reticulação
Ampla aplicabilidade.
Pode ocorrer alterações no sítio ativo.Menor risco de dessorção.
Baixo vazamento da enzima.
Encapsulamento
Simples e condições suaves de imobilização. Resistência à transferência de massa para substratos e produtos.
Menor chance de mudanças conformacionais. A enzima pode vazar para o meio 
circundante.Ampla aplicabilidade.
Imobilização e aplicações 
industriais de enzimas
Aplicações das enzimas na indústria 
farmacêutica, alimentícia, têxtil, ração e 
detergentes
Bloco 3
Rayza Morganna Farias Cavalcanti
Aplicação industrial
• Biotecnologia – Enzimas com propriedades aprimoradas.
• Enzimas com ação hidrolítica.
AgriculturaSíntese orgânica
Processamento de 
gorduras e óleos
Produção de 
biocombustível
Indústria farmacêutica
• Enzimas são usadas em diagnóstico clínico - diabetes.
• Síntese de compostos farmacêuticos ativos.
Enzimas Aplicação
Ribonuclease, Serrapeptase Antiviral
Dextranase Cárie dentária
Catalase Antioxidantes
Tirosinase Dopamina (tratamento da doença de Parkison)
Quitosanase Fármacos antimicrobianos, antioxidantes
L -asparaginase Antitumoral
Penicilina oxidase Antibióticos
Tabela 3 – Enzimas aplicadas na indústria farmacêutica
Fonte: adaptada de Singh et al. (2016, p. 6).
Indústria alimentícia
• Queijo, massa fermentada, cerveja, vinho e vinagre.
• Embalagem ativa.
• Indicadores de qualidade e aprimoramento das propriedades 
físico-químicas.
Enzimas Aplicação
Protease Coagulação do leite, fórmulas infantis (baixo alergênico), biscoitos
Lipase Sabor de queijo
Lactase Remoção de lactose (leite)
Amilase Maciez e volume do pão, ajuste da farinha
Pectinase Produtos à base de frutas, despectinização, maceração
Acetolactato descarboxilase Maturação (cerveja)
Catalase Embalagem inteligente
Tabela 4 – Enzimas aplicadas na indústria alimentícia
Fonte: adaptada de Kirk, Borchert e Fuglsang (2002, p. 346).
Indústria têxtil
• Meio ambiente – biorremedição – ação enzimática.
Catalase e lipase – indicadores de degradação de hidrocarbonetos.
Enzima Aplicação
Celulase Acabamento, amaciamento de algodão
Catalase Terminação de branqueamento
Lacase Branqueamento, tingimento de tecidos
Protease Remoção de escamas de fibras de lã
Lipase Remoção de lubrificantes
Tabela 5 – Aplicação de enzimas na indústria têxtil
Fonte: adaptada de Kirk, Borchert e Fuglsang (2002, pág. 346)
Indústria de ração e detergentes
Tabela 6 – Aplicações industriais das enzimas em detergentes e ração animal
Indústria Enzima Aplicação
Detergentes
Protease Remoção de manchas de proteína.
Amilase Remoção de manchas de amido.
Lipase Remoção de manchas de lipídios.
Celulase Limpeza, clarificação da cor.
Mananase Remoção de manchas de que reaparecem.
Ração
Fitase Digestibilidade do fitato.
Xilanase Digestibilidade.
β-glucanase Digestibilidade.
Fonte: adaptada de Kir, Borchert e Fuglsang (2002, p. 346).
Teoria em Prática
Bloco 4
Rayza Morganna Farias Cavalcanti
Questão problema
No laboratório de análises da empresa Ozto, mundialmente conhecida por 
aplicar tanases imobilizadas para produção de sucos e chásgelados, os 
pesquisadores estão investigando a imobilização de tanase por adsorção 
física em resinas tipo amberlite e DEAE-Sepharose, por ligação covalente 
em fibras de coco ativadas com glutaraldeído e por aprisionamento em 
alginato.
A Figura 10 apresenta os desempenhos da enzima com relação a 
estabilidade térmica a 37 °C, ao pH 5,0 e a estabilidade operacional. A 
empresa utilizou durante a produção de chá verde gelado a enzima tanase
imobilizada em DEAE-Sepharose. 
No entanto, após 15 ciclos de aplicação, os pesquisadores verificaram que 
não foi detectada atividade enzimática no derivado recuperado e o suco 
apresentou índices de acidez fora da média. Como pesquisador na área de 
biotecnologia, aponte as causas e possíveis soluções para superar esta 
questão com base nos dados obtidos das diferentes imobilizações.
Análise dos dados
0 1 2 3 4 5 6
0
20
40
60
80
100
120
 DEAE-Sepharose
 Alginato de cálcio
 Amberlite
 Fibra de coco
At
ivi
da
de
 re
lat
iva
 (%
)
Tempo (h)
A)
0 1 2 3 4 5 6
0
20
40
60
80
100
120
At
ivi
da
de
 re
lat
iva
 (%
)
Tempo (h)
B)
1 2 3 4 5 6 7 8
0
20
40
60
80
100
120
At
ivi
da
de
 re
lat
iva
 (%
)
Ciclos de reutilização
 DEAE-sepharose; Alginato de cálcio; Amberlite; Fibras de cocoC)
Figura 10 – Estabilidade térmica (A) e ao pH (B) e ciclos de reutilização (C) da 
tanase imobilizada por adsorção física, aprisionamento e ligação covalente
Fonte: elaborada pela autora.
Norte para a resolução
• DEAE-Sepharose – Imobilização por ligação iônica; alto custo.
• O que pode ter provocado a perda da atividade do derivado? 
Dessorção!
• Acidez? Presença da enzima no suco e liberação de produtos no 
meio reacional.
• Soluções: 
• Substituir o método e suporte.
• Analisar o suporte que promoveu maior estabilidade 
térmica e ao pH.
• Analisar custos e disponibilidade do suporte.
• Toxicidade dos reagentes para aplicação.
Dicas do(a) Professor(a)
Bloco 5
Rayza Morganna Farias Cavalcanti
Prezado aluno, as indicações a seguir podem estar disponíveis 
em algum dos parceiros da nossa Biblioteca Virtual (faça o login
por meio do seu AVA), e outras podem estar disponíveis em sites 
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públicas, órgãos públicos, anais de eventos científicos ou 
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você é a autoridade máxima da sua própria vida e deve, 
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Leitura Fundamental
Indicação de leitura 1
O presente estudo analisa a aplicação de fosfolipase livre e 
imobilizada em alginato de cálcio na hidrólise de lipídeos 
presentes em efluentes de abatedouro de suínos, a 
reutilização do biocatalisador imobilizado e a estabilidade ao 
armazenamento.
Referência
KEMKPA, A. P. et al. Fosfolipase imobilizada na hidrólise da fração lipídica de 
efluente de frigorífico de suínos: comparação com a enzima livre. Engenharia 
Sanitária e ambiental, v. 23, n.2, 2018.
Indicação de leitura 2
Nesta tese, a lipase de Thermomyces lanuginosus foi analisada 
quanto à imobilização empregando diferentes métodos e 
suportes. Em seguida, o biocatalisador imobilizado foi 
caracterizado e aplicado para síntese de ésteres nos reatores 
contínuos de leito fixo e de leito fluidizado.
Referência 
MATTE, C. R. Estudos de imobilização de lipase de Thermomyces lanuginosus em 
Immobead 150, caracterização dos derivados e suas aplicações em reatores 
contínuos e em batelada para a síntese de butirato de butila e biodiesel. 2015. 
144 f. Tese (Doutorado em Biologia Celular e Molecular) – Centro de Biotecnologia, 
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015.
Dica da(o) Professor(a)
O documentário Die Penizillin-Story / La pénicilline - Une 
révolution de la médecin aborda a história de penicilina e o 
estado atual dos antibióticos. No ano de 1928, o médico 
Alexander Fleming descobriu a penicilina por acidente; após 
duas décadas e uma guerra mundial, o antibiótico foi 
produzido em escala industrial. O documentário foi escrito por 
Wilfried Hauke e tem duração de 52 minutos. 
Aproveitem!
ADHIKARI, S. Application of immobilized enzymes in the food industry. Enzymes in 
Food Biotechnology, p. 711- 721, 2019.
BASSO, A.; SERBAN, S. Industrial applications of immobilized enzymes - A review. 
Molecular Catalysis, v. 479, p. 1 10607, 2019.
KAUSHAL, J. et al. Catalase enzyme: Application in bioremediation and food 
industry. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, v. 16, p. 192–199, 2018.
KIRK, O.; BORCHERT, T. V.; FUGLSANG, C. C. Industrial enzyme applications. Current 
Opinion in Biotechnology, v. 13, n. 4, p. 345-351, 2002.
SINGH, R. et al. Microbial enzymes: industrial progress in 21st century. 3 
Biotech, v. 6, n. 174, 2016.
SOUZA, L. T. A. et al. Imobilização enzimática: princípios fundamentais e tipos de 
suporte. In: RESENDE, R. R. (Org.). Biotecnologia aplicada à agroindústria: 
fundamentos e aplicações. São Paulo: Blucher, 2016. Cap. 15, p. 529-568.
THANGARAJ, B.; SOLOMON, P. R. Immobilization of Lipases – A Review Part I: 
Enzyme Immobilization. ChemBioEng Reviews, v. 6, n. 5, p. 157–166,2019.
Referências
Bons estudos!
	Enzimologia
	Imobilização e aplicações industriais de enzimas
	Imobilização de enzimas
	Por que imobilizar enzimas? 
	Figura 1 – Fatores que afetam a imobilização
	Suportes
	Métodos para imobilização enzimática
	Imobilização e aplicações industriais de enzimas
	Adsorção física
	Imobilização covalente 
	Reticulação – imobilização sem suporte
	Aprisionamento
	Vantagens e limitações dos métodos
	Imobilização e aplicações industriais de enzimas
	Aplicação industrial
	Indústria farmacêutica
	Indústria alimentícia
	Indústria têxtil
	Indústria de ração e detergentes
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	Questão problema
	Análise dos dados
	Norte para a resolução
	Dicas do(a) Professor(a)
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	Referências
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