Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

Abstract

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

The main objective of this research is the development of a commercial biosensor immobilized on paper surfaces, able to produce a colorimetric signal detected by human sensorial limits. This kind of biosensor could be used, for example, in the detection of toxic substances or pathogens. To achieve this objective, microencapsulated enzymes fixed on paper are proposed. Enzymes are biological catalysts with a high selectivity that can accelerate the speed of some chemical reactions up to a million times. However, the enzymes are very sensitive substances that lose their functionality easily; it is therefore necessary to protect them from conditions that could damage them. Microencapsulation is a technique that protects the enzymes without totally isolating them from their environment. In fact, microencapsulation entraps the enzymes into a micron size sphere, made of a porous polymer which prevents the enzyme to be released but allows the diffusion of its substrate inside. The microencapsulation process consists in making an emulsion containing a polymer dissolved in an aqueous phase with the desired enzyme, and the wall of the microcapsule is formed by adding a crosslinking agent that forms a polymer network at the interface of the emulsion. The crosslinked polymer solidifies and it encloses the enzyme in the interior of the capsule. Thereafter, this kind of microcapsules are used to give biosensor properties to the paper. Blade coating technique is used in order to immobilize the enzyme capsules on paper because it is the most widely used method in the paper industry. The microcapsules are mixed with a coating suspension and applied on sheets of paper. The viscosity parameters of the suspension and those of the coating are optimized to obtain a uniform coating in order to meet the industry standards. Bioactive paper obtained is first studied to assess whether the enzymes are still active or not after all the treatments because, as described above, enzymes are iii very sensitive substances. An enzyme known as laccase is used, which allows an easy evaluation of its activity. Enzymatic activity was evaluated through existing analytical techniques or new analysis techniques developed in the Rochefort lab. The results demonstrate the possibility to transfer microencapsulated enzyme systems onto paper by blade coating, by using large scale settings, with paper surfaces of 0.75 x 3 m2 modified at speeds ranging up to 800 m/min. Biosensors retained their activity, despite a drying process by evaporation of water using an IR lamp of 36 kW. The microencapsulation technique proposed here is an effective technique to increase the storage stability of the biosensor and its resistance to exposure to NaN3, which is a known inhibitor of this biosensor. This research is part of a national effort in order to develop a commercial device called bioactive paper; it is supported by the NSERC research network Sentinel.