Characterization Of Enzymes For The Food Industry And Active Packaging

The advantages of using enzymes instead of chemicals in the industrial processes and their wide range applications are nowadays of common knowledge, but over the last few decades we are experiencing a shift from the use of enzymes free in solution to the use of immobilized enzymes. In particular, in the food industry, an immobilized enzyme is often found as the functional agent in the so called “active packaging”. Among the enzymes used for industrial applications, laccase (E.C. 1.10.3.2) is certainly one of the most exploited and versatile, thanks to its broad substrate-specificity and tuneable redox potential at different working conditions. It has been reported for example that fungal laccase can degrade some mycotoxins. In this PhD work, studies were carried out on enzymes to be used for food packaging applications. A recombinant fungal laccase isoform overexpressed in yeast has been successfully immobilized in its active form into hydrogel films. Functional studies were carried out both in vitro and on food matrix. Results showed that the recombinant enzyme, coupled with a proper laccase-mediator system, was effective in degrading widespread and very hazardous mycotoxins such as aflatoxin M1 and aflatoxin B1. Another laccase fungal isoform was successfully overexpressed in bacteria, but purification did not give a functional product. As a second solution for food packaging, lysozyme was chosen as antimicrobial agent in the crystal form, as protein crystals were grown on advanced materials composed by hydrogel layers coated on hydrophobic membranes (hydrogel composite membranes). Tests in vitro showed that the antimicrobial activity of this new packaging solution resulted to be more efficient than the one of the enzyme free in solution. To our knowledge this is the first study concerning the application of crystallized enzymes on food packaging.

I vantaggi dell’utilizzo di enzimi al posto di reagenti chimici nei processi industriali e le loro applicazioni ad ampio spettro sono oggi comunemente noti, ma negli ultimi decenni si assiste ad un passaggio dall’uso di enzimi liberi in soluzione a quello di enzimi immobilizzati. In particolare, nell’industria alimentare, un enzima immobilizzato si trova spesso come agente funzionale nel cosiddetto “imballaggio attivo”. Tra gli enzimi utilizzati per scopi industriali, la laccasi (E.C. 1.10.3.2.) è certamente uno dei più sfruttati e versatili, grazie alla sua larga specificità per substrati ed al suo potenziale ossido-riduttivo modulabile in diverse condizioni di lavoro. E’ stato riportato per esempio che una laccasi da fungo è in grado di degradare alcune micotossine. In questo lavoro di dottorato, sono stati condotti studi su enzimi da utilizzare per applicazioni nel campo degli imballaggi alimentari. Una isoforma fungina di laccasi ricombinante, espressa in lievito, è stata immobilizzata in forma attiva su membrane di idrogel. Sono stati condotti studi funzionali in vitro e su matrice alimentare. I risultati hanno mostrato che l’enzima ricombinante, accoppiato ad un opportuno mediatore, è efficace nel degradare micotossine altamente diffuse e pericolose come l’aflatossina M1 e l’aflatossina B1. Un’altra laccasi fungina è stata espressa in batteri, ma la purificazione non ha dato un prodotto funzionale. Come seconda soluzione per imballaggi alimentari, il lisozima è stato scelto quale agente antimicrobico nella sua forma cristallina, ovvero cristalli di proteina sono stati fatti crescere su materiali avanzati composti da strati di idrogel su supporto di membrana idrofobica (membrane-idrogel composite). Test in vitro hanno dimostrato che l’attività antimicrobica di questa nuova soluzione di imballaggio risulta essere più efficiente dell’attività dell’enzima libero. Ad oggi questo è il primo studio riguardante l’applicazione di enzimi cristallizzati in imballaggi alimentari.