Procédé enzymatique intensifié et durable de N-acylation d'acides aminés en milieux écocompatibles : caractérisation, cinétiques et immobilisation de nouveaux biocatalyseurs

• Main Author: Bourkaib, Mohamed Chafik
• Other Authors: Université de Lorraine, Chevalot, Isabelle, Guiavarc'h, Yann
• Format: Thesis
• Language: French
• Published: 2020
• Subjects: Acylation; Lipase; Acylase; Immobilisation; Modélisation; Intensification; Immobilization; Modeling; 660.299 5; Antarc*; Antarctica
• Online Access: http://www.theses.fr/2020LORR0114/document

Les acides aminés acylés constituent un important groupe de tensioactifs biosourcés présentant des propriétés techno-fonctionnelles et bioactives très attractifs pour des applications en industries alimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques… La production de ces molécules à l’échelle industrielle se fait par voie chimique suivant la réaction de Schotten-Baumann, qui en dépit de son efficacité, a un effet négatif sur l’environnement et ne présente aucune spécificité de réaction. L’utilisation de biocatalyseurs enzymatiques est l’alternative la plus prometteuse à cette voie chimique. L’objectif de cette thèse était d’évaluer le potentiel catalytique de différentes enzymes pour la réaction de N-acylation des acides aminés en solvants verts. Dans un premier temps, le couple enzyme / substrat le plus adapté à la réaction a été identifié. Les aminoacylases de Streptomyces ambofaciens en milieu aqueux ont montré une bonne spécificité de substrat vis-à-vis de nombreux acides aminés contrairement à la lipase B de Candida antarctica en milieu non-aqueux. Une relation entre la régiosélectivité des aminoacylases et la longueur de la chaine du donneur d’acyle a été mise en évidence. Cela été lié à la présence de l’ε-lysine acylase dans le mélange enzymatique. L’ajout d’ions cobalt a permis une accélération importante de la vitesse initiale de la réaction de N-acylation et une augmentation du taux de conversion. Dans une deuxième phase, les enzymes ont été immobilisées sur différents supports afin de faciliter leur recyclage. Les enzymes immobilisées sur les supports mésoporeux (SBA15) fonctionnalisés avec de l’APTES ont été sélectionnés comme les meilleurs supports pour l’immobilisation des aminoacylases de S. ambofaciens permettant de maintenir une certaine activité de l’enzyme après immobilisation. Les performances de CALB après immobilisation ont été évalués sous scCO2 pour la réaction de synthèse de l’acétate de géraniol. L’immobilisation de CALB par chimisorption sur des supports siliceux macroporeux avec de l’isocyanate comme greffon a permis une augmentation importante de l’activité par rapport aux autres supports et à l’enzyme CALB commerciale immobilisée sur une résine acrylique. Enfin, l’impact des conditions réactionnelles sur la production de l’undécénoyl-phénylalanine (un surfactant d’intérêt en cosmétique) par les aminoacylases de S. ambofaciens a été évaluée. Le produit de la réaction a été purifié à >99% et l’activité de dépigmentation de la peau a été vérifié. Acylated amino acids are one of the most attractive biobased surfactants for food, cosmetic and pharmaceutic industry regarding their techno-functional and bioactive properties. Those molecules are produced at industrial scale by using Schotten-Baumann chemical method which is a very productive way but non-specific and have a negative impact on the environment. Enzymatic catalysis is one of the most promising alternatives. The aim of this work was to find the best enzymatic way for the N-acylation of amino acids in green solvent. The first step was to select the couple enzyme / reactional medium enabling the implementation of this reaction. Aminoacylases from Streptomyces ambofaciens in aqueous medium showed the best N-acylation specificity towards the amino acids and the acyl donors with some correlating between the structure of the substrates and the catalytic performances compared to CALB which doesn’t show any N-α-acylation activity. The addition of cobalt to the reaction medium allowed an acceleration of the reaction rate and an increase of the activity. In a second time, the activity of the different enzymes was evaluated after the immobilization on various supports. The aminoacylases immobilized on SBA-15 functionalized with APTES showed the best performances compared to the use of the others supports but a decrease of the activity compared to the free enzymes was observed. In the case of CALB, the covalent immobilization using isocyanate as grafting agent on the macroporous silica material allowed a significant improvement of the catalytic performance under scCO2 even better than the commercial immobilized CALB. Lastly, the operational condition affecting the aminoacylases activity for the synthesis of undecenoyl-phenylalanine, a product with cosmetic interest, was evaluated. The product of the reaction was purified to >99% and the skin depigmentation activity was checked.