Processos em batelada e batelada alimentada em frascos agitados para produção de carotenoides em meio agroindustrial por Rhodotorula mucilaginosa

Abstract

Os carotenoides são pigmentos naturais que possuem crescente demanda para uma ampla variedade de aplicações no mercado, sendo utilizados comercialmente como corantes alimentícios, em cosméticos, suplementos nutricionais e ainda como compostos antioxidantes. Bactérias, fungos e plantas são produtores de carotenoides. Nas leveduras a síntese de carotenoides tem interessante potencial devido a sua rápida taxa de crescimento e fácil ampliação de escala. O custo da produção de carotenoides pode ser minimizado pelo aproveitamento de matérias-primas de menor custo, como fontes de nutrientes usando coprodutos agroindustriais, tornando sua bioprodução industrial ainda mais viável. Além disso, os processos biotecnológicos podem ser avaliados quanto ao modo de operação, dentre eles a batelada alimentada é umas das técnicas utilizadas para obtenção de uma elevada densidade celular e/ou máxima produção de biocompostos. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi à produção de carotenoides em frascos agitados em batelada e batelada alimentada, utilizando coprodutos agroindustriais no meio de cultivo, pela levedura Rhodotorula mucilaginosa CCT 7668. A maximização da produção de carotenoides foi realizada através de planejamentos experimentais variando a concentração dos componentes do meio agroindustrial (melaço de cana de açúcar e água de maceração de milho). No planejamento experimental empregando o processo em batelada o meio de cultivo contendo 70 g L-1 de melaço de cana de açúcar e 3,4 g L-1 de água de maceração de milho alcançou uma produção máxima de carotenoides totais de 1404 µg L-1 (173 µg g-1) e uma concentração celular de 8,1 g L-1 em 168 h, havendo um incremento de 17% quando comparado ao meio padrão extrato de malte e levedura (1200 µg L-1). No processo em batelada alimentada foram testados três meios com concentrações diferentes de melaço e água de maceração de milho em diferentes estratégias de alimentação. O meio de cultivo mais promissor em batelada alimentada foi com 30 g L-1 de melaço de cana de açúcar e 6,5 g L-1 de água de maceração de milho alcançando uma produção de carotenoides totais de 3726 µg L-1 (118 µg g-1) e uma concentração celular de 16 g L-1, sendo a alimentação realizada com 10 % do volume inicial do cultivo com o meio 10 vezes concentrado, em 96 h. Portanto, foi possível observar que a estratégia do processo em batelada alimentada promoveu um incremento na produção volumétrica de carotenoides, aproximadamente 500 % comparado ao processo em batelada simples utilizando o mesmo meio (740 µg L-1). Sendo assim é possível concluir que esta cepa da levedura R. mucilaginosa demonstrou potencial para a produção de carotenoides em meio agroindustrial tanto no processo em batelada quanto em batelada alimentada.

Carotenoids are natural pigments which have an increasing demand for a wide range of market applications, being commercially as food colors, cosmetics products, nutritional supplements, and equally as antioxidant compounds. Carotenoids are produced by bacteria, fungi and plants. In yeast, the synthesis of carotenoids has interesting potential) as a result of its rapid growth rate and easier extension of the scale. The price from the carotenoids production can be reduced by using low cost raw materials as, for example, nutrients sources using agro-industrial co-products, making their industrial bioproduction even more viable. Furthermore, the biotechnological processes for the carotenoids production can be evaluated by the operation mode, among them the fed-batch is one of the techniques used to obtain a high cell density and/or maximum production of biocompounds. Therefore, the aim of this work was the carotenoids production in shake-flasks in batch and fed-batch, using agro-industrial co-products in the culture medium, by the yeast Rhodotorula mucilaginosa CCT 7668. The maximization of the carotenoid production was conducted through experimental designs, changing the components concentration of the agro-industrial environment (sugar cane molasses and corn steep liquor). In the experimental design using the batch process, the medium containing 70 g L-1 of sugar cane molasses and 3.4 g L-1 of corn steep liquor was defined, reaching a total carotenoid production of 1404 µg L-1 (173 µg g-1) and a cell concentration of 8.1 g L-1 in 168 h, with an increase of 17% when compared to the standard medium of malt and yeast extract (1200 µg L-1) In the fed-batch process three media were tested with different concentrations of molasses and corn steep liquor, with different feeding strategies. The most promising medium in the fed-batch process was 30 g L-1 of sugarcane molasses and 6.5 g L-1 of corn steep liquor reaching a total carotenoid production of 3726 µg L-1 (118 µg g-1) and a cell concentration of 16 g L-1 with the feed being carried out with 10% of the initial volume of the culture with the medium 10 times concentrated in 96 h.. Therefore, we were able to see that the strategy of the fed-batch process indorsed an increase in the volumetric carotenoids production, approximately 500% compared to the simple batch process using the same medium (740 µg L-1). Thus, it can be concluded that this strain of yeast R. mucilaginosa indicates potential for the carotenoids production in agro-industrial environment, both in the batch process and in the fed-batch.