University of Groningen Galacto-oligosaccharide synthesis using

University of Groningen
Galacto-oligosaccharide synthesis using immobilized -galactosidase
Benjamins, Frédéric
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2014
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Benjamins, F. (2014). Galacto-oligosaccharide synthesis using immobilized -galactosidase [S.l.]: [S.n.]
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
Galacto-oligosacchariden (GOS) zijn koolhydraten opgebouwd uit glucose en galactose,
en worden in het algemeen beschreven door de formule Galn-Glc, waarin n = 2 – 20.
GOS bezitten prebiotische functionaliteit, wat inhoudt dat GOS vrijwel niet wordt
verteerd in door de humane spijsverteringsenzymen en daardoor het darmstelsel intact
bereiken. In de dikke darm stimuleren GOS selectief de groei van goedaardige microorganismen.
In het eerste hoofdstuk van dit proefschrift wordt een overzicht gegeven van
zowel historische als recente literatuur met betrekking tot de synthese van (galacto-)
oligosacchariden. Tevens wordt een korte beschrijving van de het enzym (β galactosidase) en het mechanisme van de synthese gegeven. Naast een overzicht van de
literatuur op het gebied van GOS synthese door β-galactosidases, worden ook de
industriële toepassingen van deze enzymen besproken. In het geval van industriële
applicaties is er behoefte aan stabiele enzymen en wordt continu gekeken naar
mogelijkheden voor de verlaging van productiekosten. Om deze reden wordt de
immobilisatie van β -galactosidases verder belicht; de mogelijkheden en het potentieel
van deze technologie voor de synthese van oligosacchariden wordt bediscussieerd.
Ondanks de grote hoeveelheid beschikbare literatuur met betrekking tot immobilisatie en
het potentieel van deze technieken, lijken er nog immer barrières te bestaan die de
toepassing hiervan in de praktijk tegenhouden.
Terwijl geïmmobiliseerde enzymen
worden toegepast op industriële schaal in processen die in hoge mate vergelijkbaar zijn,
238
(o.a. de hydrolyse van lactose en de productie van glucose-fructose stroop (high fructose
corn syrup), blijft de toepassing hiervan bij de synthese van GOS, achter.
Hoofdstuk 2 beschrijft de selectie van een geschikte drager voor de immobilisatie
van het gebruikte enzym en de toepassing in het beoogde proces. Voor de selectie van de
meest geschikte drager is gebruik gemaakt van het Analytical Hierarchy Process (AHP)
voor de beoordeling van drie verschillende dragers. De geschiktheid van het AHP voor de
selectie van een geschikte drager werd bevestigd door de uitkomst te vergelijken met een
kosten-baten analyse. De toepassing van de AHP methodologie op de selectie van de
meest geschikte drager voor de immobilisatie van β-galactosidase van Bacillus circulans,
gaf dezelfde uitkomst als wanneer het model werd gebruikt waarbij de kostprijs per GOS
productie run werd berekend. De AHP methodologie bleek daarmee ook toepasbaar voor
de selectie van een geschikte drager voor enzym immobilisatie.
Hoofdstuk 3 beschrijft de toepassing van de geïmmobiliseerde β-galactosidase
van B. circulans in een batch proces. In het bijzonder werd hierbij gekeken naar de
conversie van lactose naar GOS vanuit een lactose suspensie in plaats van een meer
gangbare oververzadigde lactose oplossing. De enzymatische en volumetrische
productiviteit van het systeem werden vergeleken met die van een systeem met vrij
enzym. Tevens werden de samenstellingen van de GOS mengsels van beide systemen
met elkaar vergeleken.
Door een hogere E/S ratio kon in het systeem met
geïmmobiliseerde enzym een kortere incubatietijd worden gehanteerd. In deze studie
werd aangetoond dat het gebruik van geïmmobiliseerd enzym mogelijkheden biedt om
zowel de reactietijd als het enzymgebruik te verlagen. Sterker nog, er werd een toename
van zowel de enzymatische als de volumetrische productiviteit waargenomen, doordat
239
meer GOS werd geproduceerd met de zelfde hoeveelheid enzym. De omzettingsreactie
werd gestart vanuit een lactose suspensie in plaats van de gebruikelijke verzadigde
lactose oplossing. Het achterwege laten van de verhittingsstap om de oververzadigde
lactoseoplossing te bereiden, draagt aan de verbetering van de duurzaamheid van het
proces.
Naast de omzetting van lactose naar GOS in batch systeem, wordt in hoofdstuk 4
de continue synthese van GOS beschreven met behulp van geïmmobiliseerd enzym in
een Packed Bed Reactor (PBR). De inactivatie constanten bij verschillende temperaturen
en lactose concentraties werden bepaald. De operationele limieten van een dergelijk
continu proces werden onderzocht en geëvalueerd tijdens deze studie. Hoewel een
toename van de lactose concentratie aanwijsbaar bijdraagt aan de stabiliteit van het
enzym bij 50 °C, kunnen deze beschermende eigenschappen niet compenseren voor de
thermische inactivatie van het enzym bij 60 °C. Desondanks kon het proces voor een
aanzienlijke tijd worden uitgevoerd bij een temperatuur van 60 °C. Deze studie heeft
laten zien waar de operationele grenzen liggen voor een PBR met geïmmobiliseerd β galactosidase van B. circulans.
Hoofdtuk 5 beschrijft de waargenomen vorming van allo-lactose tijdens de
conversie van lactose naar GOS, gekatalyseerd door B. circulans β-galactosidase. De
kinetisch gedreven reactie zorgt dat de vormingssnelheid van allo-lactose af hangt van de
enzymdosering. De toename van allo-lactose wordt veroorzaakt door de (indirecte)
transgalactosylering van het C-6 koolstofatoom van een glucose molecuul in combinatie
met de hydrolyse van trisacchariden (en hogere sacchariden), welke zijn opgebouwd
vanuit allo-lactose. Er werden geen aanwijzingen gevonden voor de directe synthese van
240
allo-lactose. De substraat voorkeur van β-galactosidase van B. circulans, leidde tot de
accumulatie van allo-lactose.
Deze studie laat zien dat het gebruik van een systeem met geïmmobiliseerd enzym
kan bijdragen aan een verbetering van de kosten-efficiëntie en duurzaamheid van het
proces om vanuit lactose GOS the synthetiseren. Een toename in productiviteit, zowel in
het batch- als in het continue proces, kon worden bereikt met behoud van de chemische
samenstelling van het galacto-oligosacchariden mengsel. Desondanks begint nu de
uitdaging voor het ontwerpen van een proces op industriële schaal. Deze studie biedt een
goede basis die het mogelijk maakt om de uitdagingen van industriële toepassing op te
pakken.
241