IJE TRANSACTIONS A: Basics Vol. 27, No. 10 (October 2014) 1495-1502   

downloaded Downloaded: 224   viewed Viewed: 2273

M. Nickpour and M. Pazouki
( Received: February 22, 2014 – Accepted: June 26, 2014 )

Abstract    Enzyme cost is the major problem for industrial scale application. Immobilization is a promising approach to moderate the enzyme cost factor and increase its stability and activity. In this study, sol-gel method was used to prepare the immobilization platform and entrapped lipase as one of the most used enzyme in dairy processing, cosmetics and pharmaceutical industries. Lipase from Candida rugosa was immobilized onto glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS) and tetramethoxysilane (TMOS) derived sol-gels and the characteristics and hyrdrolytic activity were investigated. Michaelis-Menten kinetic properties reveal that although free enzyme can catalyze the reaction faster, but it has lower affinity for substrate molecules compared to sol-gel immobilized lipase. Entrapped lipase retained 67 % of its initial activity after six reaction cycles. It showed 100% activity compared to free lipase powder at 40-45°C. In pH 9, as free enzyme lost 90 % of its initial activity, immobilized lipase lost only 29% of its activity. Immobilized enzyme was more stable toward different pHs (100% activity at pH 7.5 compared to free form). Morphological characteristics of the immobilized enzyme were investigated by SEM images and BET. The sample had specific surface area and mean pore diameter of 2.599 m2/g and 46.13 nm.


Keywords    Enzymes, Sol-gel Process, Hydrolysis, Immobilization, Kinetics, Mesoporous


چکیده    قیمت بالای به‌عنوان چالش اصلی برای استفاده آنزیم‌ها در مقیاس صنعتی مطرح است. در سال‌های اخیر، تثبیت آنزیم به‌عنوان راهکاری برای متعادل‌سازی هزینه و بهبود فعالیت و پایداری آنزیم موردمطالعه قرارگرفته است. در این تحقیق، روش سل ژل به‌منظور آماده‌سازی پایه تثبیت و محبوس سازی آنزیم لیپاز به‌عنوان یکی از پرکاربردترین بیوکاتالیست ها در صنایع غذایی، داروسازی و تولید محصولات آرایشی بهداشتی بررسی شده است. آنزیم لیپاز تهیه‌شده از منبع میکروبی کندیدا روگوسا ابتدا روی سل ژل سنتز شده از گلایسیدوکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (GPTMS) و تترامتوکسی سیلان (TMOS) تثبیت‌شده و سپس فعالیت و مشخصات ساختاری آن مورد بررسی قرار گرفت. سینتیک واکنش هیدرولیز روغن توسط آنزیم لیپاز نیز بر اساس مکانیسم میکائیلیس - منتن مشخص شد، که بر اساس آن آنزیم آزاد سریع‌تر واکنش را کاتالیز می‌کند اما تمایل کمتری به مولکول سوبسترا دارد. آنزیم محبوس شده پس از شش دوره واکنش 33 درصد فعالیت اولیه خود را از دست داد. فعالیت نسبی آنزیم تثبیت‌شده در بازه دمایی 45-40 درجه سانتی‌گراد، میزان 100 % بود. در 9=pH، آنزیم آزاد 90 درصد فعالیت خود را از دست می‌دهد، در حالیکه در همان شرایط آنزیم تثبیت‌شده، تنها 29 % فعالیت اولیه خود را از دست می‌دهد. این ویژگی برای کاربرد آنزیم در تولید صنعتی شوینده‌ها با توجه به شرایط قلیایی شستشو حائز اهمیت است. آنزیم تثبیت‌شده در pH های مختلف دارای ثبات فعالیت بیشتری بوده (100% فعالیت نسبی در pH =5/7). مورفولوژی و خصوصیات کاتالیست تثبیت‌شده توسط آنالیزهای SEM و BET بررسی شد. سل ژل سنتز شده به همراه آنزیم لیپاز دارای سطح ویژه 599/2 مترمربع بر گرم و میانگین قطر تخلخل 13/46 نانومتر است.



1.     Akoh, C.C. and Min, D.B., "Food lipids: Chemistry, nutrition, and biotechnology, CRC Press,  (2008).

2.     Noor, I., Hasan, M. and Ramachandran, K., "Effect of operating variables on the hydrolysis rate of palm oil by lipase", Process Biochemistry,  Vol. 39, No. 1, (2003), 13-20.

3.     Kuo, T.M. and Gardner, H., "Lipid biotechnology, CRC Press,  (2002).

4.     Vaseghi, Z. and Najafpour, G., "A comparison on lipase production from soybean meal and sugarcane bagasse in solid state fermentation using rhizopus oryzae", International Journal of Engineering-Transactions B: Applications,  Vol. 27, No. 2, (2013), 171.

5.     Pourvosoghi, N., Nikbakht, A. and Jafarmadar, S., "An optimized process for biodiesel production from high ffa spent bleaching earth", International Journal of Engineering-Transactions C Aspects,  Vol. 26, No. 12, (2013), 1545-1550.

6.     Elnashar, M.M., "The art of immobilization using biopolymers, biomaterials and nanobiotechnology", Biotechnology of biopolymers, (2011), 3-25.

7.     Ghaly, A.E., Dave, D., Brooks, M. and Budge, S., "Production of biodiesel by enzymatic transesterification: Review", American Journal of Biochemistry and Biotechnology,  Vol. 6, No. 2, (2010), 54.

8.     Kavardi, S.S., Alemzadeh, I. and Kazemi, A., "Optimization of lipase immobilization", International Journal of Engineering,  Vol. 25, No. 1, (2012), 1-9.

9.     Orçaire, O., Buisson, P. and Pierre, A.C., "Application of silica aerogel encapsulated lipases in the synthesis of biodiesel by transesterification reactions", Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic,  Vol. 42, No. 3, (2006), 106-113.

10.   Vidinha, P., Augusto, V., Almeida, M., Fonseca, I., Fidalgo, A., Ilharco, L., S Cabral, J.M. and Barreiros, S., "Sol–gel encapsulation: An efficient and versatile immobilization technique for cutinase in non-aqueous media", Journal of Biotechnology,  Vol. 121, No. 1, (2006), 23-33.

11.   Buthe, A., Entrapment of enzymes in nanoporous sol–gels, in Nanoscale biocatalysis. 2011, Springer. p. 223-237.

12.   Avnir, D., "Organic chemistry within ceramic matrixes: Doped sol-gel materials", Accounts of Chemical Research,  Vol. 28, No. 8, (1995), 328-334.

13.   Reetz, M.T., "Entrapment of biocatalysts in hydrophobic solgel materials for use in organic chemistry", Advanced Materials,  Vol. 9, No. 12, (1997), 943-954.

14.   Reetz, M.T., Zonta, A. and Simpelkamp, J., "Efficient immobilization of lipases by entrapment in hydrophobic solgel materials", Biotechnology and Bioengineering,  Vol. 49, No. 5, (1996), 527-534.

15.   Persson, M., Mladenoska, I., Wehtje, E. and Adlercreutz, P., "Preparation of lipases for use in organic solvents", Enzyme and Microbial Technology,  Vol. 31, No. 6, (2002), 833-841.

16.   Chen, J.-P. and Lin, W.-S., "Sol-gel powders and supported sol-gel polymers for immobilization of lipase in ester synthesis", Enzyme and Microbial Technology,  Vol. 32, No. 7, (2003), 801-811.

17.   Reetz, M.T., Tielmann, P., Wiesenhöfer, W., Könen, W. and Zonta, A., "Second generation solgel encapsulated lipases: Robust heterogeneous biocatalysts", Advanced Synthesis & Catalysis,  Vol. 345, No. 67, (2003), 717-728.

18.   Noureddini, H., Gao, X. and Joshi, S., "Immobilization of candida rugosa lipase by sol-gel entrapment and its application in the hydrolysis of soybean oil", Journal of the American Oil Chemists' Society,  Vol. 80, No. 11, (2003), 1077-1083.

19.   Meunier, S.M. and Legge, R.L., "Evaluation of diatomaceous earth as a support for sol–gel immobilized lipase for transesterification", Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic,  Vol. 62, No. 1, (2010), 53-57.

20.   Meunier, S. and Legge, R., "Evaluation of diatomaceous earth supported lipase sol–gels as a medium for enzymatic transesterification of biodiesel", Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic,  Vol. 77, (2012), 92-97.

21.   Reetz, M., "Practical protocols for lipase immobilization via sol-gel techniques", Methods in molecular biology (Clifton, NJ),  Vol. 1051, (2012), 241-254.

22.   Hara, P., Hanefeld, U. and Kanerva, L.T., "Sol–gels and cross-linked aggregates of lipase ps from< i> burkholderia cepacia</i> and their application in dry organic solvents", Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic,  Vol. 50, No. 2, (2008), 80-86.

23.   Bansal, R.C. and Goyal, M., "Activated carbon adsorption, CRC press,  (2010).   

International Journal of Engineering
E-mail: office@ije.ir
Web Site: http://www.ije.ir