Desenvolvimento de formulação microencapsulada da enzima fitase como estratégia para aumento da biodisponibilidade de fósforo para uso em aquicultura

A expansão global da aquicultura, projetada para um aumento de 13% até 2030, demanda a adoção de práticas sustentáveis que preservem a saúde dos ecossistemas aquáticos e a biodiversidade. Tal cenário intensifica a busca por ingredientes inovadores e sustentáveis em rações, com investimentos crescentes em componentes vegetais para substituir a farinha de peixe, visando reduzir custos e melhorar a sustentabilidade. Contudo, a utilização de dietas à base de plantas é desafiada pela presença de fatores antinutricionais (ANFs), como proteínas antigênicas, oligossacarídeos não digeríveis, e, notavelmente, o fitato. Este último, amplamente encontrado, forma complexos com elementos minerais e proteínas, o que reduz a biodisponibilidade de nutrientes essenciais. Em peixes monogástricos, a baixa biodisponibilidade do fósforo ligado ao fitato, agravada pela ausência de fitase intestinal, leva à deficiência de fósforo, resultando em impactos negativos como anorexia, crescimento reduzido e maior suscetibilidade a doenças. Adicionalmente, a alta liberação de fósforo e de nitrogênio não digeridos contribui para a eutrofização dos ambientes aquáticos. A suplementação enzimática, especialmente com fitase, apresenta-se como uma solução promissora. No entanto, sua eficácia é comprometida pela instabilidade térmica, visto que a peletização de rações ocorre em altas temperaturas, o que pode resultar em perdas de até 80% da atividade enzimática. Fatores como a umidade e a pressão também afetam sua funcionalidade. Com o objetivo de aumentar a estabilidade e a funcionalidade da fitase, no presente estudo foram desenvolvidas formulações líquidas e sólidas utilizando diferentes combinações de quitosana, pectina, alginato, goma arábica e gelatina. As formulações líquidas apresentaram diâmetro de partícula entre 266 e 6000 nm, IdP entre 0,3 e 0,6, potencial zeta superior a +30 mV e pH entre 4,85 e 5,0. A atividade enzimática variou de 11 a 39 U/mL, sendo observadas formulações com elevada estabilidade físico-química durante o armazenamento e atividade residual entre 82 e 85% após a simulação gastrointestinal. As formulações sólidas produzidas por spray drying apresentaram diâmetro médio entre 3,3 e 5,26 µm e recuperação da atividade enzimática superior a 90%. As análises por MEV revelaram micropartículas predominantemente esféricas ou subesféricas. Além disso, as formulações apresentaram baixos valores de atividade de água e de teor de umidade. Enquanto os espectros de FTIR confirmaram a preservação dos principais grupos funcionais da fitase e dos polímeros após o processo de encapsulação. Nos ensaios de estabilidade térmica, as formulações encapsuladas mantiveram entre 99,55 e 100% da atividade inicial após exposição a 95 °C, enquanto a fitase livre apresentou 77,03% de atividade residual. Na simulação gastrointestinal, algumas formulações preservaram até 100% da atividade inicial, superando o desempenho da enzima livre (82,21%). De modo geral, os resultados demonstram que a microencapsulação com biopolímeros naturais constitui uma estratégia eficiente para proteger a fitase frente às condições de processamento e digestão, evidenciando seu potencial de aplicação em rações aquícolas e para aumentar a biodisponibilidade do fósforo proveniente de ingredientes vegetais.

Resumo (inglês)

The global expansion of aquaculture, projected to increase by 13% by 2030, requires adopting sustainable practices that preserve aquatic ecosystems and biodiversity. This scenario has intensified the search for innovative, sustainable feed ingredients, with growing interest in plant-based alternatives to fishmeal to reduce costs and improve sustainability. However, the use of plant-derived feed ingredients is hindered by antinutritional factors (ANFs), particularly phytate, which forms complexes with minerals and proteins, thereby reducing the bioavailability of essential nutrients. In monogastric fish, the low availability of phytate-bound phosphorus, combined with the absence of endogenous intestinal phytase, can lead to phosphorus deficiency, impaired growth, and increased nutrient discharge into the environment. Although phytase supplementation is considered an effective strategy to improve phosphorus utilization and reduce environmental impacts, its application is limited by thermal instability during feed processing and by the harsh conditions of the gastrointestinal tract. To enhance phytase stability and functionality, liquid and solid formulations were developed using different combinations of chitosan, pectin, alginate, gum arabic, and gelatin. The liquid formulations exhibited particle sizes ranging from 266 to 6000 nm, polydispersity indices between 0.3 and 0.6, zeta potentials above +30 mV, and pH values between 4.85 and 5.0. Enzymatic activity ranged from 11 to 39 U/mL, and the selected formulations maintained high physicochemical stability during storage, with residual activities of 82-85% after simulated gastrointestinal digestion. The solid formulations produced by spray drying had mean particle sizes ranging from 3.3 to 5.26 µm and retained more than 90% of the initial phytase activity after drying. Scanning electron microscopy revealed predominantly spherical or subspherical microparticles, while FTIR analyses confirmed the preservation of the main functional groups of both phytase and the polymeric matrices after encapsulation. In addition, the formulations exhibited low water activity and moisture content, indicating favorable storage stability. Thermal stability assays demonstrated that the encapsulated formulations retained between 99.55 and 100% of their initial activity after exposure to 95 °C, whereas free phytase retained only 77.03%. Under simulated gastrointestinal conditions, some formulations preserved up to 100% of their initial activity, outperforming free phytase (82.21%). Overall, the results demonstrate that microencapsulation with natural biopolymers is an effective strategy for protecting phytase against processing and digestive stresses, highlighting its potential application in aquafeeds to improve phosphorus bioavailability from plant-based ingredients.

Palavras-chave

Nutrição animal , Biopolímeros , Secagem em spray , Animal nutrition , Biopolymers , Spray drying

Idioma

Português

Citação

CUASPUD, Tania Carolina Benavides. Desenvolvimento de formulação microencapsulada da enzima fitase como estratégia para aumento da biodisponibilidade de fósforo para uso em aquicultura. 2026. Dissertação (Mestrado em Ciências Ambientais) - Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2026.