Maximização da produção de astaxantina por Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrohous) utilizando água de parboilização do arroz

Abstract

O interesse na produção de astaxantina por fontes naturais vem aumentando significativamente nos últimos anos, devido a possibilidade de atuar como corante e sua capacidade antioxidante biológica potente. É o carotenóide principal encontrado na levedura Phaffia rhodozyma, sendo esse microrganismo adequado para o uso como fonte do pigmento industrial em razão de seu metabolismo heterotrófico, padrão de crescimento relativamente rápido, qualidade nutricional e seguro como aditivo alimentar. A presente dissertação teve como objetivo principal realizar cultivos utilizando a levedura Phaffia rhodozyma, estudando diferentes meios de cultura, empregando a água de parboilização do arroz como substrato. Inicialmente selecionou-se dentre 3 cepas de P. rhodozyma: NRRL Y-17268, NRRL Y-10921 e NRRL Y-10922, a mais promissora quanto a produção de astaxantina, utilizando glicose e sacarose como fonte de carbono. Os cultivos foram realizados em frascos agitados a 25ºC, 150rpm, por um período de 168h. Através do acompanhamento da bioprodução de astaxantina, a levedura P. rhodozyma NRRL Y-17268 foi selecionada, pois se destacou como boa produtora do carotenóide, alcançando 7,0g.L-1 de biomassa, 350,2μg.g-1 de produção de astaxantina específica e 2,4μg.mL-1 de astaxantina volumétrica, utilizando sacarose. Utilizou-se a metodologia de planejamento experimenta e análise de superfície de resposta para verificar os efeitos das variáveis em estudo e as condições que levaram a melhor bioprodução da astaxantina. Um planejamento experimental fracionário 2IV 6-2 foi realizado para determinar as variáveis que mais influenciavam na produção da astaxantina. As variáveis independentes estudadas foram concentrações de extrato de levedura (1 a 10g.L-1), extrato de malte (1 a 10g.L-1), peptona (1 a 10g.L-1), sacarose (5 a 20g.L-1), efluente da parboilização do arroz (0 a 180g.L-1) e o pH inicial do meio (4 a 6), tendo como resposta a produção de biomassa, produção de astaxantina específica e produção de astaxantina volumétrica. Os valores máximos obtidos foram 8,9g.L-1 de biomassa, 538,4μg.g-1 de astaxantina específica e 3,1μg.mL-1 de astaxantina volumétrica, em diferentes condições de composição de meio de cultivo. O extrato de levedura não apresentou efeito significativo em nenhuma das respostas avaliadas, sendo realizado um teste de Tukey na faixa de 0 a 1g.L-1. A concentração de extrato de levedura não apresentou diferença significativa, sendo retirado do meio de cultivo. No segundo planejamento foram ampliadas as faixas de estudo das variáveis selecionadas: concentrações de extrato de malte (8,75 a 16,25g.L-1), sacarose (15 a 35g.L-1), peptona (8,75 a 16,25g.L-1) e o pH mantido no ponto central 5,0. A partir dos resultados, verificou-se um incremento na concentração máxima de biomassa obtida, alcançando 10,9g.L-1 e na produção de astaxantina específica para 628,8μg.g-1. As melhores condições encontradas através das superfícies de resposta para maximização da produção de astaxantina volumétrica foram: 16,25g.L-1 de extrato de malte, 8,75g.L-1 de peptona, 15g.L-1 de sacarose e 87,5g.L-1 de água de parboilização do arroz, alcançando em torno de 5,4μg.mL-1.

The interest in astaxanthin production by natural sources has increased significantly in the last few years, because of its possibility of acting as corants and its powerfull biological antioxidant capacity. It’s the most important carotenoid found in the yeast Phaffia rhodozyma and this microorganism is appropriate to use in the source of industrial pigment due to its heterotrophic metabolism, relatively rapid growth, nutritional quality and safe as a food additive. The present dissertation had as main objective, through fermentation, using the yeast Phaffia rhodozyma studying different culture medium and the rice parboilization wastewater as a substrate. Firstly, the greatest astaxanthin producer, using glucose and sucrose as carbon source was selected amongst three strains of Phaffia rhodozyma: NRRL Y-17268, NRRL Y-10921 and NRRL Y-10922. The cultivation condition was realized in a rotatory flasks, at 25ºC, 150rpm, for 168h. Through the accompaniment of the bioproduction of astaxanthin, the yeast P. rhodozyma NRRL Y-17268 was selected, because it stood out as a good producer of the carotenoid, 7.0g.L-1 of biomass, 350.2μg.g-1 of specific production of astaxanthin and 2.4μg.mL-1 of volumetric production of astaxanthin, using sucrose. The techniques of experimental design and analysis of response surfaces were used to verify the effects of the studied variables and the condictions wich led to the best production of astaxanthin. A fractional experimental design 2IV 6-2 was used to determine the independents variables that most influenced in the production of astaxanhin. The studied independents variables were yeast extract concentration (1 to 10g.L-1), malt extract (1 to 10g.L-1), peptone (1 to 10g.L-1), sucrose (5 to 20g.L-1), rice parboilization wastewater (0 to 180g.L-1) and the initial pH (4 to 6), having as answer the biomass production, specific production of astaxanthin and volumetric production of astaxanthin. The highest values obtained were 8.9g.L-1 of biomass, 538.4μg.g-1 of specific astaxanthin and 3.1μg.mL-1 of volumetric astaxanthin, in differents conditions of composition of cultivation medium. The yeast extract didn’t show significant effect in any answer, being made a Tukey test in the range of 0 to 1g.L-1. In this test the yeast extract concentration didn’t show significant difference, then it was removed from the cultivation medium. In a second design the range were amplied: malt extract concentration (8.75 to 16.25g.L-1), sucrose (15 to 35g.L-1), peptone (8.75 to 16.25g.L-1) and the pH was maintained in the central point (5.0). From the results, verify an increased in the maximum biomass concentration obtained, reaching 10.9g.L-1 and in a specific production of astaxanthin to 628.8μg.g-1. The better conditions found through of response surface to the maximization of volumetric production of astaxanthin was: 16.25g.L-1 of malt extract, 8.75g.L-1 of peptone, 15g.L-1 of sucrose and 87.5g.L-1 of rice parboilization waste water, reaching around 5.4μg.mL-1.