Application of Mesoporous Silica Materials for the Immobilization of Polyphenol Oxidase

Abstract

[ES] La principal reacción que afecta tanto a frutas como a verduras y que causa un detrimento en su color, sabor, olor y valor nutricional es el pardeamiento enzimático. La polifenol oxidasa (PPO), también llamada tirosinasa, es la principal responsable de esta reacción, ya que oxida los compuestos fenólicos generando pigmentos parduzcos. Los materiales mesoporosos han tenido una gran variedad de aplicaciones en las últimas dos décadas, como por ejemplo catálisis y separación de gases, y estos materiales son una interesante opción para inmovilizar la PPO como alternativa a los tratamientos térmicos implementados en la industria. El objetivo de este trabajo es estudiar la posibilidad de retener este enzima o incluso inhibir su actividad aplicándolo sobre zumo de manzana, puesto que, como esta bebida es rica en compuestos fenólicos, es más susceptible de sufrir esta reacción de pardeamiento. Se han estudiado diferentes materiales mesoporosos de sílice con diferentes estructuras, morfologías y porosidades para poder dilucidar su influencia en la tasa de inmovilización. Además, otros factores que han sido ampliamente estudiados han sido la influencia del pH de la solución de inmovilización y el tiempo de contacto entre el material y el enzima. La característica textural que parece ser decisiva en los ensayos de inmovilización es el volumen de poro. Aeroperl® y SBA-15 son los dos materiales que pueden atrapar mayor cantidad de PPO cuando la solución tiene un valor de pH de 4.00, puesto que a ese valor de pH pueden establecerse las interacciones electrostáticas necesarias para que el enzima pueda quedar adsorbido en las paredes del material. Ajustando los modelos de Higuchi y power law podemos deducir que el proceso de entrada de la PPO dentro de los poros está controlado difusionalmente. El material comercial testado es el que presenta mayores tasas de inhibición en extractos de manzana.

[EN] Enzymatic browning is one of the most important reactions that occur in fruits and vegetables, resulting in negative effects on color, taste, flavour and nutritional value. The main agent responsible for this reaction is polyphenol oxidase (PPO), also called tyrosinase, because it oxidises phenolic compounds and generates dark pigments. Mesoporous materials have been popular for a variety of applications in the last two decades, such as catalysis and gas separation, and they are an interesting option to immobilize the PPO as an alternative to the established industry process based on heat treatments. The objective of the present work is to study the possibility to remove this enzyme or even inhibit its activity from apple juice, since this beverage is rich in polyphenols and it is susceptible to suffering enzymatic browning. Different mesoporous silica materials were tested with different structures, morphologies and porosities in order to see their influence on the immobilization rate. Besides, the pH value of the solution and time were fully analysed and they provide results to obtain a good immobilization capacity. Pore volume, is the textural characteristic which affects the most the immobilization assay. Aeroperl® and SBA-15 are the materials which can adsorb larger quantity of PPO at pH 4.00, because electrostatic interactions can exist between the enzyme and the silica walls. Fitting power law and Higuchi models, we can assume that the PPO loading into mesoporous materials is a diffusion controlled. The commercial mesoporous material reveals highest inhibition rates in real apple extracts.

[CA] La principal reacció que afecta tant fruites com a verdures i que causa un detriment en el seu color, sabor, olor i valor nutricional és l'enfosquiment enzimàtic. La polifenol oxidasa (PPO), també anomenada tirosinasa, és la principal responsable d'aquesta reacció, ja que oxida els compostos fenòlics generant pigments terrosos. Els materials mesoporosos han tingut una gran varietat d´aplicacions en els últims 20 anys, com per exemple catàlisi i separació de gasos, i aquéstos són una interessant opció per a encapsular la PPO com a alternativa als tractaments tèrmics implementats en la industria. L'objectiu d´aquest treball és estudiar si és possible retindre aquest enzim o fins i tot inhibir la seua activitat aplicant-ho sobre suc de poma, ja que, com aquesta beguda és rica en compostos fenòlics, és més susceptible de patir aquesta reacció d'enfosquiment. En el present treball, s'han estudiat diversos materials mesoporosos de sílice amb diferents estructures, morfologies i porositats per a poder dilucidar la seua influència en la taxa d'immobilització. A més, altres factors que han sigut àmpliament estudiats han sigut el pH de la solució d'immobilització i el temps de contacte entre el material i la solució enzimàtica. La característica textural que sembla ser decisiva en els assajos d'immobilització és el volum de porus. Aeroperl® i SBA-15 són els dos materials que poden atrapar major quantitat de PPO quan la solució té un valor de pH de 4.00, ja que per a aquest valor de pH poden establir-se les interaccions necessàries perquè l'enzim puga quedar adsorbit en les parets del material. Ajustant el model de Higuchi i power law podem deduir que el procés d'entrada de la proteïna dins dels porus està controlat difusionalment. El material comercial testat és el que presenta majors taxes d'inhibició en extractes de poma.