Brevet FR2573772A1 — publié le 19860530

I L'invention concerne une invertase insolubi- lisée à haute activité spécifique, un procédé d'obtention de cette invertase et un procédé de traitement de sirops sucrés utilisant cette invertase. L'invertase est un enzyme bien connu provenant de la levure qui hydrolyze le saccharose en glucose et fructose. Il a déjà été proposé (brevet français 2 472 015) d'immobiliser ou fixer l'invertase par une liaison covalente sur un support solide contenant de la cellulose et de la lignine, tel que des rafles de mats, le processus de liaison faisant intervenir une oxydation mé- nagée, une amination par une diamine, une réduction et une activation, par exemple par du glutaraldéhyde, du support puis un couplage de l'enzyme au support ainsi pré-traité. Un tel composite d'invertase insolubilisée est utile pour traiter des jus sucrés de saccharose. On connalt aussi, par le brevet français 2 078 426, des enzymes insolubilisés comprenant une ma- tière siliceuse, un organosilane, tel qu'un Y -aminoalkyl- trialcoxysilane, lié à la matière siliceuse, un agent ré- ticulant, tel que le glutaraldéhyde, lié par covalence à l'organosilane, et un enzyme lié par covalence à l'agent réticulant. Il n'est pas question dans ce brevet de l'in- vertase ni de l'influence de la porosité ou de la gros- articules seur des / de la silice utilisée sur l'activité spé- cifique de l'enzyme insolubilisée. Ce brevet ne donne pas non plus beaucoup d'indications relativement aux condi- tions opératoires à observer pendant la préparation des enzymes insolubilisées. Le brevet français 2 020 527 (correspondant au brevet U.S. N 3 519 538) décrit aussi des enzymes insolubi- lisés dans lesquels l'enzyme est couplé à un support par un agent de couplage bifonctionnel. Ce brevet ne parle pas de l'invertase ni de l'influence de la porosité ou de la par icues grosseur des / de la silice utilisée sur l'activité spécifique de l'enzyme insolubilisée. On connatt, par ailleurs, par le brevet fran- çais 2 223 324 de la Demanderesse, un procédé de fabri- cation de corps poreux à partir de divers oxydes, tels que la silice, ayant des diamètres de pores compris entre et 1OOnm, qui sont utiles comme support pour im- mobiliser ou fixer des enzymes. Il est dit dans ce brevet que le diamètre des pores doit être tel qu'il permette l'entrée de l'enzyme dans les pores. Toutefois, ce brevet ne parle pas de l'invertase, ni ne suggère l'existence d'une gamme de diamètres de pores pour laquelle l'inver- tase présenterait une activité spécifique optimale... Bien que l'activité spécifique de l'invertase immobilisée du brevet français 2 472 015 soit relativement élevée, on a besoin dans l'industrie d'une invertase immo- bilisée encore plus active. L'invention vise donc à fournir une telle invertase immobilisée à activité spécifique améliorée. Plus particulièrement, l'invention concerne une invertase insolubilisée fixée par une liaison covalente à un support solide, caractérisée en ce que l'invertase est fixée par covalence à du glutaraldéhyde qui est lié par covalence à un silane bifonctionnel lui-même fixé sur des particules poreuses de silice ayant une grosseur de particules comprise dans la gamme de 150 à 250 Mm et un diamètre de pores compris dans la gamme de 10 à 30nm, cette invertase insolubilisée ayant une activité spécifique d'au moins 6000 unités par gramme d'enzyme insolubilisé. Dans le présent mémoire, une unité d'activité spécifique correspond à 1 micromole de saccharose hydrolysé par minute dans les conditions suivantes: température: 400C pH: 4,5 solution de saccharose à 100g/litre. L'activité spécifique de l'invertase insolubi- lisée de l'invention peut atteindre 10 000 unités/g. L'invention concerne aussi un procédé de préparation de ladite invertase insolubilisée, caracté- risé en ce qu'il consiste à a) traiter en présence d'eau des particules poreuses de silice ayant une grosseur de particules comprise dans la gamme de 150 à 250 Am et ayant un dia- mètre de pores compris dans la gamme de 10 à 30nm par une solution d'un silane bifonctionnel ayant un groupe hydrolysable, b) traiter le produit de l'étape (a) par une solution aqueuse contenant au moins 2% en poise gluta- raldéhyde à un pH inférieur à 7, pendant au moins 1 heure environ, et c) traiter le produit de l'étape (b) par une solution d'invertase offrint une activité d'au moins 20 000 de si lice unités/grammeÀ i un pH de 5 à 6, pendant au moins 10 heures. Comme silanes utilisables dans l'étape, on peut utiliser des silanes bifonctionnels ayant un groupe hydrolysable capable de se lier au support de silice et un autre groupe capable de réagir avec le glutaraldéhyde. Des exemples de silanes convenables sont donnés dans les brevets français 2 020 527 et 2 078 426 auxquels on se re- portera pour plus de détails. L'influence de la nature du silane utilisé sur l'activité spécifique de l'enzyme in- solubilisé est faible dans la mesure o l'enzyme n'est pas lié au silane mais sur le glutaraldéhyde, le rôle du silane se bornant donc à assurer le couplage du glutaral- déhyde au support de silice. En raison de leur disponibi- lité dans le commerce et des bons résultats obtenus avec eux, on préfère à ce Jour utiliser des gamma-aminoalcoyltri- alcoxysilanes et, en particulier, parmi eux, le gamma- aminopropyltriéthoxysilane (appelé en abrégé A1100). L'in- vention, quoique non limitée à l'emploi du silane A1100, sera ci-après plus particulièrement décrite à propos de ce dernier. L'étape de silanation (a) doit être conduite avec une concentration du silane A1100 d'au moins 4% (poids/volume en abrégé p/v), car en-dessous de cette concentration minimale, on obtient une activité spécifique réduite. Il ne semble pas qu'il y ait de limite supérieure critique pour la concentration du silane, mais en pratique il y a peu d'avantages à tirer de l'emploi d'une concentra- tion supérieure à 15% (p/v) environ. Une gamme préférée de concentration du silane va de 5 à 10% (p/v). Le pH doit ttre réglé dans la gamme de 4 à 5 pendant la silana- tion car en-dessous de 4, la cinétique de la réaction est trop lente et au-dessus de 5 il se produit une dégrada- tion de la silice. - De préférence on utilise un pH égal à 4,5 + 0,1. La température de silanation est aussi un paramètre im- portant. Elle doit être d'au moins 70 C, de préférence d'au moins 75 C, et ne pas excéder 85 C. En-dessous de C, on ne peut obtenir un enzyme immobilisé à haute activité spécifique et au-dessus de 85 C, on observe une dégradation des propriétés. Typiquement l'activité spé- cifique de l'enzyme insolubilisé sera d'autant plus grande que la température de silanation sera plus élevée dans l'intervalle de températuresdéfini. La silanation doit etre conduite pendant au moins 1 heure. Il n'y a pas de limite supérieure critique pour la durée de la silanation, mais en pratique, il y a peu d'avantages à tirer de durées de silanation excédant 2 heures. L'étape (b) doit être conduite avec une con- centration de glutaraldéhyde d'au moins 2% (p/v) car des concentrations inférieures ne permettent pas d'ob- tenir la haute activité spécifique revendiquée. Il n'y a pas apparemment de limite supérieure de concentration critique. Toutefois, en pratique, il y a peu d'avantages à tirer de l'emploi de concentrations excédant 10% (p/v). On préfère utiliser une solution de glutaraldéhyde comprise entre 2,5 et 5% (p/v). Le pH doit être inférieur à 7 car au-dessus de ce pH, la cinétique de réaction est très ralentie. La température n'est pas particulièrement cri- tique. On utilise commodément des températures ambiantes ou proches de celles-ci. La durée de l'étape (b) doit être d'au moins 1 heure pour l'obtention d'un bon résul- tat. Il n'y a guère d'avantages à tirer de l'emploi de durées supérieures à 3 heures. On préfère une réaction de 1 à 2 heures environ. L'étape (c) de fixation de itinvertase met en oeuvre une solution d'invertase libre devant offrir une activité d'au moins 20 000 U par gramme de support silice. Habituellement, l'activité offerte sera comprise entre 20 000 et 40 000 U/g de support bien qu'il n'y ait pas de limite maximale critique. Le pH est critique et doit être dans la gamme de 5 à 6 pour l'obtention de résultats convenables. On préfère un pH de 5 à 5,7 pour des résultats optimaux. La température n'est pas particulièrement cri- tique. On utilise commodément des températures ambiantes ou proches de celles-ci. La durée de l'étape de fixation doit être d'au moins 10 heures pour obtenir une bonne efficacité. En général, il y a peu d'avantages à tirer de prolonger la durée de fixation au-delà de 20 heures. On préfère des durées de 10 à 15 heures. Bien entendu, dans les étapes a), b) etc), il faut utiliser un excès de silane, de glutaraldéhyde et d'enzyme par rapport à la quantité à fixer sur le support solide. On a trouvé que, avec les concentrations pres- crites, on obtenait de bons résultats en utilisant un rapport solution réactive/support de 10 ml de solution pour I g de support solide. Ce rapport n'est pas, toutefois, critique et on pourra utiliser des rapports solution réac- tive/support inférieurs ou supérieurs sans pour cela sortir du cadre de l'invention. La grosseur des particules de silice et le diamètre des pores de celles-ci Jouent un r8le essentiel. Il faut utiliser des particules poreuses d'une grosseur de 150 à 250Am ayant un diamètre de pores compris dans la gamme de 10 à 30nm, de préférence de 12 à 25nm pour obtenir les meilleurs résultats. On a trouvé, en effet, que c'est ce type de particules qui se prêtent le mieux à la production d'une invertase insolubilisée de haute activité spécifique. L'inv'ntion concerne aussi un procédé de traitement d'un slrop sucré contenant du saccharose, ca- %Zigt Hd '0Z&o asseoe uodmur. np suep uoi.nITp,Jed 6a.edo.zd uo Im/fi Ooo5 q a.znAal ap amnd ase%.1au'p aIeo- aamoo apalo-ao,&z asnanbe uolnlos aunp.jz%.oed y *gZg' gS Hd 4WL0 au%-ou uoàmu: ap appeal q gnloaj$a %sa aZe6uTa aTujap aq 'aalIssIp neail s$oj s.naTsnld 9ABI %sa a%sodmoo al sTnd 'xnealno- T m aaeu9e un ans %uemaIeuoz -l$oq gaoeId %ue%.9 aqnI al 'daueiqme aan_%euadma% l sa-naq xnap alft essTel uo *5g' ap aep-oi ap %sa ',a1sn u uou Oú *Had aq -agaT$Is]p nUaal ap suep (A/d) %5 g ep&qgple-[ie: -nlS ap uoT:nlos aunp Im OL ansua ano e InT uo.e.ai sud eu Tnb auBITs al eaulrqIap uw$e a aII%sjp nuail ' aqel uammepuoqs alînsua %sa nuaqo %lnpoid ae e)oOg 'q aT,,em-u'eq un SuBp saanaq Z Sz :Xumpuad lq9 uemawl. oj isa "au lowç 'Iaqn_- aq - IeoIe anbTI:oe apToeip appeal gi' HE q agasn u aglllslp neal ap suep aueBlXs Kxoq.0rXa;aXlKdoad-ouTm-e-XaP(A/Cd) %ç q uoXq4nj -os aunp IT O ano s uo *(go Z S saTnoT.ed sep ua&ow Oz aztmselp_ -uZ: saxod sep ua&om a,%amump) asna.od ao$lIs ap À L ased uo ssessa q aqn% un suea : siesa g aqnI ug (y *-aAll 3B sqil. ags1iTqnIosuT aseszaaul aun&p uo^%.eagJd - z %a I salcimaxa çL -a%.Im$l el SUBS 4uoTuaAu-l jalsnIzp ule sauuop %uos sqacde-Io sluasaid saydmaxa saq uoî%uaAuT l ap asTITqnIos -ui amKzual ap auge auuoloo aun suep doizs al aassed %uesle ua:uemaTduqs sqt.% a-e$ es hnad pssXIXqnIosu- OL aemzual ap %a do.ts np %oeluoo ua asl in am&zuai ap gaT%oegl a%;oaa $nb ao 'nea ua maua% alqIe$ %UamaA$4elaJ Mnal ap UOSIM. ua aseU.Jaauel asd,aIel% g salloT$$1p %uos %uemallan.tqeq Inb 'snid %a XT-E 09 %uel^J1 ailp-q-%sato isa.luaouoo sa1l. sgao { -ns sdoiTs ap %uama%$e-i% ne uaq %uaea-xtTnolaed al-ad as uolluaaull ap agsTllqnlosul: as-elaaulq uo%uaAujl uoTas a. ssllqnlosul aslaaAul, ap %a doizs el Iouluoo ua aji w 1 als9suoo jjnb ao ua asaqse une solution à 2000 U/ml. On aJoute au produit obtenu précédemment 10 ml de cette solution. Le tube est laissé h à température ambiante sur l'agitateur à rouleaux. Le produit résultant est ensuite rincé plusieurs fois à l'eau distillée; on le met en contact sous agitation 1 h à température ambiante avec 10 ml d'une solution de NaCl 1M puis on le rince avec du tampon acétate 0,1M, pH 5,25. Le produit enzyme insolubilisé obtenu présente une activité spécifique de 10 000 U/g environ. B) En colonne Dans une colonne en verre de 60 mi de capacité et de 1,5 cm de diamètre, on place 10 g de silice poreuse (diamètre des pores 25 nm, diamètre moyen des particules: 220). 22/O On prépare une solution à 5% (p/v) de Y-amino- propyltriéthoxysilane ajustée à pH 4,5 (acide acétique glacial). On fait recirculer pendant 2 h à un débit d'en- viron 500 ml/h, 100 ml de cette solution dans la colonne maintenue à 80 C. Après vidange, on lave le composite par cir- culation continue d'un demi-litre d'eau distillée (débit 500 ml/h). On prépare une solution de glutaraldéhyde à 5% (p/v) dans de l'eau distillée (pH non ajusté) et on fait recirculer 100 ml de cette solution à température ambiante pendant deux heures, à raison d'un débit de 500 ml/h. La colonne est ensuite vidangée et le composite rincé avec 500 ml d'eau distillée. On fait ensuite passer ml de tampon acétate 0,1M, pH 5,25-dans la colonne à un débit de 500 ml/h, puis on vidange. A partir d'une solution aqueuse glycérolée commerciale d'invertase pure de levure à 5000 U/ml, on prépare par dilution dans du tampon acétate 0, 2M, pH 5,25, une solution à 2000 U/ml. On fait recirculer 100 ml de cette solution dans la colonne à température ambiante pen- dant 10 heures à un débit de 500 ml/h. La colonne est vi- dangée et le produit est rincé à l'eau distillée (passage d'environ 1 1). On fait recirculer pendant une heure (500 ml/h) ml d'une solution molaire de NaCl, à température am- biante, puis on rince le produit résultant avec 500 ml de tampon acétate O,1M, pH 5,25. Le produit enzyme inso- lubilisé obtenu a une activité-spécifique d'environ 000 U/g. Exemples 3 à 7 et exemple comparatif A En suivant le mode opératoire de l'exemple 1A, on a préparé divers enzymes insolubilisés en utilisant des supports de silice ayant des grosseurs de pores dif- férentes et en faisant varier divers paramètres. Les données et les résultats obtenus sont récapitulés au Tableau I ci-après. TABLEAU I Exemples A 3 4 5 6 7 Eta es i__________ grosseur des pores 3P5 250 25,0 25,0 25,0 120 de la silice, nm (3) concentration du 05 5 5 10 5 5 Etape a silane, % (p/v) 0,5 5 5 10 5 5 pH solution silane 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 (tem's de silanation 70 80 80 80 75 75 (oc) Durée de silanation 2 2 2 2 2 '. I(h) 2 2 2 2 2 Etape b Solution de glutaraldéhyde (5%) Temp. ambiante, 2 heures de contact ____ pH non aJust ('w 3.5) Solution d'invertase, 20000 20000 40000 20000 45000 45000 U/g Etape c pH d'insolubilisation 4,5 5,2 5,2 5,2 5,2 5,2 Etape cp52 2 Temp. d'inso. (OC) 30 30 30 30 30 30 Durée d'lnso. (h) 10 10 10 10 10 10 (1) Activité spéci- 500 7000 10000 7700 8000 7800 qf ig (u /IR) (2) Rendeme nt de fixa-6 50 40 47 45 45 tion (%) (1 dans les conditions standard 2ctest le rapport (X100) de ltactivité spécifique sur la quantité d'Unités d'ao- tivité fixées (3) 1 -amino-propyltriéthoxysilane (A1100) 1 0 Exemples 8 à 10 et exemple comparatif B Ces exemples illustrent l'emploi d'invertase insolubilisée pour hydrolyser le saccharose d'un sirop sucré concentré industriel en glucose et fructose. On a fait passer en continu un sirop sucré dans une colonne thermostatée d'une capacité de 60 cm3 en- viron contenant 5 g d'enzyme insolubilisé choisi parmi les enzymes des exemples A, 3 et 4, fonctionnant 24 h/24. Les données et les résultats obtenus sont récapitulés au Tableau II ci-après. On voit que les enzymes insolubilisés selon l'invention donnent une productivité très supérieure à celle obtenue avec un enzyme insolubilisé en dehors du cadre de l'invention. TABLEAU II E Exemples B 8 9 10 Cond tons \ (enzyme de (enzyme de (enzyme de (enzyme de Température, C 50 50 40 50 Activité spécifique de l'enzyme insolubilisé 500 7000 7000 7000 (U/g) Brix du sirop à 995% 67 67 60 67 de pureté (%) pH du sirop (ajusté à 1'H3P04 85%) 5,0 5,0 5,0 5,0 Taux d'inversion (%) 100 100 100 70 Productivité (kg de saccharose hydrolysé/kg 0,2 4 6 de composite x heures) Pas de varia- Pas de varia- Pas de varia- Pas de varia- Stabilité tion des per- tion des per- tion des per- tion des per- formances sur formances sur formances sur formances sur 500h 500h 1200h 1500h REVENDICATIONS 1. Invertase insolubilisée fixée par une liaison covalente à un support solide, caractérisée en ce que l'invertase est fixée par covalence à du glutaral- déhyde qui est lié par covalence à un silane bifonctionnel lui-même fixé sur des particules poreuses de silice ayant une grosseur de particules comprise dans les gammes de à 250m a et un diamètre de pores compris dans la gamme de 10 à 30 ne, cette invertase insolubilisée ayant une activité spécifique d'au moins 6000 unités par gramme d'enzyme insolubilisé. 2. Invertase selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce qu'elle a une activité spécifique d'en- viron 10 000 unités/g ou plus. 3. Invertase selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les particules de silice ont une grosseur de pores comprise dans la gamme de 12 à 25nm. 4. Procédé de préparation de l'invertase insolubilisée de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à a) traiter en présence d'au des particules poreuses de silice ayant une grosseur de particules comprise dans la gamme de 150 à 250/ m et ayant un dia- mètre de pores compris dans la gamme de 10 à 3Onm par une solution d'An silane bifonctionnel ayant un groupe hydrolysable, b) traiter le produit de l'étape (a) par une solution aqueuse contenant au moins 2% en poids/volume de glutaraldéhyde à un pH inférieur à 7, pendant au moins 1 heure environ, et c) traiter le produit de l'étape (b) par une solution d'invertase offrant une activité d'au moins 20 000 unités/gramme de silice, à un pH de 5 à 6, pendant au moins heures. 5. Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le silane utilisé dans l'étape (a) est un gamma-aminoalc oyltrialcoxysilane. 6. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le silane est du gamma-aminopropyltrié- thoxysilane. 7. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la concentration du silane est d'au moins 4% en poids/volume et le pH est compris dans la gamme de 4,4 à 4,6. 8. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 7, caractérisé en ce que la concentration de glutaraldéhyde est comprise dans la gamme de 2,5 à 5% en poids/volume. 9. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 8, caractérisé en ce que dans l'étape (c), le pH est compris dans la gamme de 5 à 5,7. 10. Procédé de traitement d'un sirop sucré contenant du saccharose par de l'invertase insolubilisé pour convertir du saccharose en glucose et fructose, caracté- risé en ce que l'invertase insolubilisée est telle que défi- nie à l'une quelconque des revendications 1 à 3.