Immobilization of horseradish peroxidase enzyme onto polymeric microbeads and its usage in dye decolorization

Abstract

In this study, horseradish peroxidase (HRP) enzyme was immobilized onto poly(ethylene glycol dimethacrylate-N-methacryloyl-amido-L-tryptophan methyl ester) [PEDMT] microbeads by adsorption method and used in decolorization of Congo red (CR) and Reactive Black 5 (RB5) dyes. The microbeads were characterized by Brunauer–Emmett– Teller (BET) analysis, Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray analysis (SEM/EDX). Immobilization yield, activity yield, and immobilization efficiency were determined and had a value of 84.86 ± 2.06%, 73.78 ± 5.91%, and 86.95 ± 6.92%, respectively. Relative activities of free and immobilized enzymes were compared, and optimum reaction conditions were determined as pH 6.0, 3% H₂O₂ concentration, and temperature of 50 °C for PEDMT-HRP and 40 °C for free HRP. The effect of metal ions and organic solvents, thermal and storage stability of enzymes were estimated. Also, it was possible to reuse PEDMT-HRP for ten cycles with 55% of the remaining activity. The decolorization studies were performed and the effects of pH, microbeads amount and enzyme concentration, H₂O₂ and dye concentration, and contact time were indicated. The best decolorization was obtained at pH 6.0, 25 mg/L dye concentration, 3% H₂O₂ concentration, and 2 h of contact time for both enzymes. PEDMT-HRP preserved 44% of activity after the ten cycles with CR and 17% after the five cycles with RB5. Moreover, decolorization was followed via HPLC analysis. The results revealed that PEDMT-HRP could simultaneously decolorize both dyes with 94% (CR) and 29% (RB) efficiency, but the free enzyme displayed 4.5% decolorization.Bu çalışmada, yaban turpu peroksidaz (HRP) enzimi poli(etilen glikol dimetakrilat-N-metakriloil-amido-L-triptofan-metil ester) [PEDMT] mikroküreler üzerine adsorpsiyon yöntemi ile immobilize edilerek Kongo kırmızısı (CR) ve Reaktif Siyah 5 (RB5) boyalarının renk gideriminde kullanıldı. Sentezlenen mikroküreler Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizi, Fourier Dönüşüm kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve taramalı elektron mikroskobu-enerji dağılımlı X-ışını (SEM/EDX) analizi ile karakterize edildi. İmmobilizasyon verimi, aktivite verimi ve immobilizasyon etkinliği parametreleri sırasıyla %84.86 ± 2.06, %73.78 ± 5.91 ve %86.95 ± 6.92 olarak belirlendi. Serbest ve immobilize enzimlerin göreceli aktiviteleri karşılaştırıldı ve optimum reaksiyon koşulları pH 6.0, %3 H₂O₂ derişimi ve immobilize HRP (PEDMT-HRP) için 50 °C, serbest HRP için 40 °C sıcaklık olarak belirlendi. Metal iyonlarının ve organik çözücülerin enzim aktivitesi üzerindeki etkileri araştırıldı. Serbest HRP ve PEDMT-HRP'nin termal stabilitesi ve depolama stabilitesi incelendi. PEDMT-HRP, aktivitesini %55 oranında koruyarak on kez tekrar kullanıldı. Serbest HRP ve PEDMT-HRP ile renk giderme çalışmaları yapıldı. pH, boya derişimi, mikroküre miktarı ve enzim derişimi, H₂O₂ derişimi ve temas süresinin CR ve RB5'in renk giderimi üzerindeki etkileri belirlendi. Serbest HRP ve PEDMT-HRP ile pH 6.0, 25 mg/L boya derişimi, %3 H₂O₂ derişimi ile 2 saatte en iyi renk giderim değerleri elde edildi. PEDMT-HRP'nin renk giderimindeki tekrar kullanılabilirliği araştırıldı. PEDMT-HRP, CR ile on döngüden sonra aktivitesinin %44'ünü ve RB5 ile beş döngüden sonra %17'sini koruyabildi. Renk giderimi HPLC analizi ile takip edildi. Elde edilen sonuçlar, PEDMT-HRP'nin iki boyanın rengini aynı anda %94 (CR) ve %29 (RB) oranında, serbest enzimin ise %4,5 oranında giderdiğini gösterdi.