Μελέτη της φυσιολογικής συμπεριφοράς του μικροοργανισμού Debaryomyces hansenii Υ-41 κατά την αύξηση του σε υδρόφιλα υποστρώματα χαμηλού κόστους

Abstract

Η αραβιτόλη, επίσης γνωστή ως αραβινιτόλη ή λυξιτόλη, ανήκει στην οικογένεια της πεντιτόλης και χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων και στην βιομηχανία παραγωγής θεραπευτικών προϊόντων. Η συγκεκριμένη πολυόλη, μπορεί να παραχθεί από ζύμες σε διαδικασίες βιομετατροπής των αποβλήτων από τη γεωργία και τη βιομηχανία βιοντίζελ. Η παρούσα έρευνα ασχολείται με την ικανότητα της ζύμης Debaryomyces hansenii Υ-41 να παράγει αποτελεσματικά την D-αραβιτόλη από διαφορετικά υποστρώματα και την βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης για μέγιστη παραγωγή αυτής. Η ζύμη που μελετήθηκε, παρήγαγε αραβιτόλη ως τη μόνη ανιχνεύσιμη πολυόλη με χρήση υποστρώματος φρουκτόζης, γλυκόζης και γλυκερόλης. Στη συγκεκριμένη μελέτη, αξιολογήθηκε η επίδραση του pH, της θερμοκρασίας και του λόγου άνθρακα προς άζωτο (C/N) για τις επιδράσεις στην παραγωγικότητα της αραβιτόλης και στη μέγιστη συγκέντρωση αραβιτόλης και βιομάζας. Μεταξύ αυτών που αξιολογήθηκαν, με τη γλυκόζη ως υπόστρωμα σε ζύμωση ημισυνεχούς λειτουργίας σε βιοαντιδραστήρα, το μέσο με pΗ = 6,5, C/N = 120 mol mol-1 και θερμοκρασία 30 ° C απέδωσε την υψηλότερη παραγωγή αραβιτόλης. Υπό αυτές τις βέλτιστες συνθήκες, η παραγωγή αραβιτόλης 75,10 g L-1 και παραγωγή βιομάζας 16,78 g L-1 επιτεύχθηκε σε 349 ώρες. Η υψηλότερη απόδοση 0,54 g g-1 επιτεύχθηκε σε 274 ώρες ζύμωσης, ενώ την ίδια χρονική στιγμή η συγκέντρωση αραβιτόλης ήταν 61,69 g L-1. Όσον αφορά την ζύμωση διαλείποντος έργου με φρουκτόζη ως υπόστρωμα, η μέγιστη παραγωγή αραβιτόλης παρουσιάστηκε όταν το μέσο είχε pΗ = 5,5, λόγο C/N 60 mol mol-1 και 30 °C. Κάτω από αυτές τις βέλτιστες συνθήκες, η παραγωγή αραβιτόλης 54,81 g L-1 και παραγωγή βιομάζας 18,27 g L-1 επιτεύχθηκε σε 312 ώρες με την απόδοση της αραβιτόλης στο 52 g g-1. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας δείχνουν ότι η αραβιτόλη είναι ένα πολλά υποσχόμενο προϊόν προστιθέμενης αξίας το οποίο μπορεί να παραχθεί από γλυκόζη και φρουκτόζη χρησιμοποιώντας τη για την παραγωγή της τη ζύμη D. hansenii Υ-41.

Arabitol also known as arabinitol or lyxitol belongs to the pentitol family and has found various applications in the food industry and the production of therapeutics for human usage. This polyol could be effeciently produced by yeasts via the bioconversion or biotransformation of waste streams deriving from agriculture and biodiesel industry. The present study focuses on the ability of the yeast Debaryomyces hansenii Y-41 to efficiently produce D-arabitol from various substrates and the optimization of the fermentation conditions in order to achieve maximum arabitol titers, yield and productivity. The yeast strain that was used in this work, produced arabitol as the only detectable polyol utilizing commercial glucose, fructose and glycerol. Arabitol production was optimized evaluating factors namely pH, temperature and carbon-to-nitrogen (C/N) ratio. The highest arabitol concentration was achieved during fed batch bioreactor experiment of Debaryomyces hansenii with glucose as a fermentation substrate, pH equal to 6.5, C/N ratio of 120 mol mol-1 and temperature of 30 oC. Under these optimal conditions, arabitol production reached the value of 75.10 g L-1 with a respective yeast biomass of 16.78 g L-1 after 349 h of fermentation. The highest yield of 0.54 g g-1 was achieved after 274 h of fermentation while in the same time arabitol concentration was 61.69 g L-1. Regarding the batch cultures with fructose as medium, the maximum production of arabitol was achieved when the pH of the medium was set to 5.5, C/N ratio was 60 mol mol-1 and temperature was 30 oC. The respective concentrations of arabitol and biomass achieved, were 54.81 g L-1 and 18.27 g L-1 after 312 h with a yield of 0.52 g g-1. This work demonstrated that D. hansenii Y-41 could produce arabitol in high concentrations utilizing glucose and fructose as carbon sources.