Sursă de finanțare    UEFISCDI, Programul PN III
Cod proiect               PN-III-P2-2.1-PED-2019-4561
Nr. contract               376PED/ 2020

Titlu proiect               Metodă biocatalitică în mediu de solvent eutectic pentru producerea

       derivaților naturali ai mentolului ca arome de interes pentru industria

       alimentară

Acronim                      BIOMENTH

Consoțiu

Universitatea din București                                                                 Coordonator proiect

Centrul de Chimie Organică al Academiei Române "C. Nenițescu"    Partener 1

Natural Ingredients R&D                                                                     Partener 2


Descrierea proiectului

Proiectul BIOMENTH propune realizarea, optimizarea și validarea unei metode biocatalitice (lipază biocatalizator) fezabile bazată pe utilizarea unui mediu de tipul solvent eutectic (deep eutectic solvent - DES) pentru producerea unor derivați ai (-)-mentolului cu proprietăți de arome îmbogățite, care constituie un real interes pentru industria alimentară. BIOMENTH propune o metodă enzimatică de acilare a (-)mentolului cu structuri de tip acizi grași (de interes acizi grași omega 3/6/9) la esteri ai acizilor grași (MEFA). Produșii MEFA sunt importanți pentru industria alimentară deoarece combină proprietățile de aromă ale (-)-mentolului cu proprietățile curative ale acizilor grași (acizi omega 3/6/9). În plus, MEFA oferă o eliberare treptată a aromei prin hidroliza grupării esterice și totodata o acțiune rapidă de penetrare a membranei celulare implicând o digestie ușoară.

Metoda enzimatică propusă implică acțiunea enzimei lipază în forma imobilizată (modelul imobilizării covalente, CLEA și/sau CLEMPA), care va acționa într-un mediu DES pentru acilarea (-)-mentolului cu structuri de tip acizi grași. Mediul DES va fi realizat prin amestecarea eficientă a mentolului și a agentului de acilare. Reacția va porni în momentul adaugării enzimei în sistem. În plus, BIOMENTH propune optimizarea și validarea metodei biocatalitice în vederea utilizării viitoare la nivel industrial.


Etapa I/ 2020

Rezumatul raportului de activitate

În cadrul Etapei I/ 2020 a proiectului BIOMENTH au fost realizate toate activitățile propuse în Planul de activități din pachetul contractului. Astfel, s-a realizat testarea sistemului biocatalitic propus pentru derivatizarea mentolului în mediu DES (mentol:acid octanoic=1:3, v/v). Rezultatele obținute au demonstrat viabilitatea sistemul propus. În continuare se va optimiza sistemul inițiat urmând a fi testate și variante alternative de mediu DES. Enzima de tip lipază din Candida anterctica a prezentat cea mai mare conversie de 97 % pentru esterificarea mentolului cu laurat de metil. Totodata, a fost realizat un stoc de masă vegetală Menta Piperita care să permită, într-o primă fază, extracția (L)-mentol pentru continuarea experimentelor în Etapa II/2021.

Rezultate: extract mentol; sistem biocatalitic enzimatic in mediu DES (mentol:acid octanoic).

Etapa II/ 2021

Rezumatul raportului de activitate

În cadrul etapei II/ 2021 a proiectului BIOMENTH au fost realizate cu succes toate activitățile propuse în Planul de activități din pachetul contractului. Astfel, rezultatele fazei 2021 au constat în: obținerea și caracterizarea mentolului pentru utilizarea în sistem biocatalitic; separarea compușilor de tip FAME pentru a constitui agenți de acilare a mentolului; selectarea catalizatorilor de tip lipază (sub forma imobilizată – lipaza CALB sub forma Novo); construirea sistemului biocatalitic pentru producerea MEFA și optimizarea acestui sistem prin alegerea condițiilor optime de convertire a mentolului în MEFA. Totodată, activitatea de diseminarea a avut ca rezultate 2 publicații, 6 participări la conferințe, 2 meeting-uri de proiect și activitate de diseminare online.

Rezultate: metil esteri ai acizilor grasi (FAME – laurat de metil; palmitat de metil; oleat de metil); extract de mentol caracterizat; biocompozit lipaza imobilizata (Novo); sistem/metoda biocatalitica enzimatica pentru producere esteri cu mentolul ai acizilor grasi (MEFA); MEFA – laurat de mentol; palmitat de mentol; oleat de mentol; 2 publicatii; 8 participari conferinta; 2 meeting proiect; activitate diseminare (online).


Etapa III/ 2022

Rezumatul raportului de activitate

În cadrul etapei 2022 a proiectului BIOMENTH au fost realizate cu succes toate activitățile propuse in planul de activități. Validarea sistemului biocatalitic a permis determinarea performantelor sistemului pentru acilarea mentolului cu esteri ai acizilor grasi in mediu DES compus din L-mentol ca donor si acid gras ca acceptor ceea ce a permis cresterea omogenitatii sistemului de reactie. Biocatalizatorul de tip lipaza imobilizata a prezentat performante analitice superioare biocatalizatorului de tip lipaza libera. Astfel, sistemul propus a permis evidentierea unui nou tip de lipaza drept biocatalizator in sistemul propus fata de Candida rugosa care este actualmente raportata in literatura. Performantele sistemului biocatalitic au fost de 95 % conversie MLE pentru biocatalizatorul NV, M:CA(I) DES la 40 ̊C temperatura, 1000 rpm agitare si 24 ore timp de reactie. Robustetea sistemului a fost evidentiata prin testarea biocatalizatorului pentru cinci cicluri de reactie fara a exista pierderi evidente de activitate catalitica. Separarea compușilor de tip MEFA din amestecul de reacție s-a făcut cu ajutorul cromatografiei pe coloană. Identificarea compușilor și evaluarea purității acestora s-a făcut cu ajutorul metodelor spectroscopice RMN și FTIR. Ulterior aceștia au fost caracterizați din punct de vedere fizico-chimic și senzorial. Cu ajutorul soft-ului MarvinSketch, folosind metoda Consesus, s-a determinat parametrul logP, parametru ce este direct legat de indicele de lipofilicatate ai compușilor de tip MEFA. Rezultatele au arătat că valoarea logP crește odată cu masa moleculară, având valori de la aproximativ 6 până peste 10, indicând o lipofilicitate ridicată.  Analiza senzorială indică obținerea unor compuși cu un scor cuprins între 10 și 12 care nu prezintă miros de mentol.
Rezultatele fazei 2022: produsi MEFA (octanoatul de mentil, lauratul de mentil si oleatul de mentil); sistem biocatalitic optimizat si validat; website proiect actualizat; 4 publicații (1 articol si 3 proceedings); 5 participări la conferințe; 2 meeting-uri de proiect și activitate de diseminare online.


Prezentare generala a proiectului BIOMENTH

Proiectului BIOMENTH a permis dezvoltarea, optimizarea si validarea unui sistem biocatalitic (model demonstrativ) pentru producerea derivatilor de tip esteri mentolici (MEFA) proveniti de la L-mentol cu proprietati organoleptice imbunatatite, de interes pentru industria cosmetica si alimentara. L-Mentolul prezinta proprietati organoleptice concretizate in gust mentolat si senzatie de prospetime, de aceea este folosit in mod frecvent in compozitia produselor cosmetice si alimentare. Derivatii MEFA ai L-mentolului prezinta proprietati organoleptice imbonatatite. Astfel, ei permit o eliberare controlata din matricea produsului, o absorbtie usoara prin membrana celulara, o mai buna stabilitate cu un efect de durata si un aport nutritional potentat fata de L-mentol.
Sistemul biocatalitic dezvoltat in cadrul proiectului BIOMENTH se bazeaza pe activitatea catalitica a enzimelor de tip lipaza in reactia de acilare a L-mentolului cu esteri proveniti de la acizii grasi (FAME). Produsii de reactie rezultati sunt compusi de tip MEFA, esteri ai acizilor gasi cu L-mentol. Lipaza imobilizata din Candida antarctica B (Novozyme 435) este biocatalizatorul sistemului realizat. Mediul de reactie este de natura „deep eutectic solvent (DES)” constituit din L-mentol si acid caprilic (73:27 %, v/v). In acest fel, sistemul biocatalitic asigura o buna omogenizare a componentelor amestecului de reactie pentru o cinetica rapida a procesului de acilare a L-mentolului cu esteri metilici ai acizilor grasi (FAME). Produsele rezultate sunt de tipul ester al L-mentol (MEFA), si anume octanoatul de mentil, lauratul de mentil si oleatul de mentil.
Pentru produsele MEFA realizate in cadrul proiectului BIOMENTH, analiza senzoriala a evidentiat faptul ca octanoatul de mentil prezinta cea mai rapida absorbtie la nivelul pielii si depreciere a mirosului. Caracterizarea pe aceleasi criterii pentru celelalte doua produse a dus la ordinea laurat de mentil si oleat de mentil. Evaluarea lipofilicitatii produselor (ca factor important pentru absorbtia MEFA prin membrana celulara) s-a realizat pe baza parametrului logP. Valori logP crescatoare s-au inregistrat in ordinea octanoat de mentil < laurat de mentil < oleat de mentil, toate trei produsele prezentand caracter dominant lipofilic. Toate aceste caracteristici ale produselor MEFA demonstreaza disponibilitatea lor pentru a fi utilizate in industria cosmetica si alimentara.



Figura 1. Schema sintetica a sistemului biocatalitic pentru producerea derivatilor MEFA de la L-mentol si resturi de acizi grasi.



Figura 2. Produsi MEFA (octanoatul de mentil, lauratul de mentil si oleatul de mentil).


Publicații

1. F. Teodorescu et al. Reaction kinetics, mechanism and catalysis, June 2021, DOI: 10.1007/s11144-021-02013-9

2. G.Gheorghita et al. Catalysts, 2021, 11, 134, DOI: 10.3390/catal11010134. 

3. S. Ion, F. Olanescu, F. Teodorescu, R. Tincu, D. Gheorghe, V.I. Parvulescu, M. Tudorache, DES-based biocatalysis as a green alternative for the L-menthyl ester production based on L-menthol acylation, Molecules, 2022, 27(16), 5273. 10.3390/molecules27165273 (article)

4. Olanescu and M. Tudorache, Biocatalytic acylation of menthol with fatty acids in deep eutectic solvent as reaction environment, Chem. Proc. 2022, 7, 38. 10.3390/chemproc2022007038 (proceeding)

5. M. Tudorache, Lipase enzyme for biomass valorization, Chem. Proc. 2022, 7(1), 65. 10.3390/chemproc2022007065 (proceeding)

6. S-A Voicea, M. Tudorache, Chem. Proc. 2022, 7(1), 52. 10.3390/chemproc2022007052 (proceeding)


Diseminare

1. 6th International Conference on Biocatalysis in Non-Conventional Media – BNCM 2021 Milan (Italy), May 6-8, 2021 (prezentare orală)

2. Next-Chem 2021, Bucharest, Romania (prezentare orală) 6th International Conference on Biocatalysis in Non-Conventional Media – BNCM 2021 Milan (Italy), May 6-8, 2021 (prezentare orală)

3. PRIOCHEM 2021, 27-29 octombrie 2021, București, Romania (plenară).

4.17th International Conference on Renewable Resources & Biorefineries (RRB 2021), 6-8 septembrie 2021, Aveiro, Portugalia (prezentare orală).

5. Biotrans 2021, 7-9 iulie 2021, Gratz, Austria (poster).

6. CoSolMat 2021, 11-15 octombrie 2021, Bucuresti (online), Romania (poster).

7. WICC, CA17128 LignoCOST Lignin Conference, 31 mai – 3 iunie 2022, Wageninge, Olanda (prezentare orală)

8. Workshop group meeting CA17128 LignoCOST, 12-13 aprilie 2022, Talin, Estonia (prezentare orală)

9. 9th IUPAC International Conference on Green Chemistry (Hybrid) 5-9 September 2022, Athens, Greece (prezentare orala)

10. ROMCAT, 22-24 iunie 2022, Govora, Romania (3 postere)

11. 22nd International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, 7-9 Septembrie 2022, Sinaia, România (2 prezentari orale)

12. Conferința Națională de Chimie, ediția XXXVI, 4-7 octombrie 2022, Călimănești-Căciulata, România, (2 postere)