Desenvolvimento de bioprocesso para produção de biomassa de levedura rica em zinco organico

Abstract

Resumo: O objetivo deste trabalho foi desenvolver um bioprocesso para a produção de biomassa de levedura rica em zinco orgânico, como alternativa de suplemento proteico para alimentação animal. Cinco cepas de leveduras foram testadas quanto à sua capacidade de acúmulo de zinco no seguinte meio de cultivo: Melaço de cana-de-açúcar, 5oBrix; Extrato de Levedura, 10 g/L; (NH4)2SO4, 5 g/L; KH2PO4, 5 g/L; MgSO4, 0,5 g/L. As concentrações de ZnSO4 testadas foram 0,05, 0,1, 0,2 e 0,5 g/L. As condições de cultivo foram: temperatura, 30oC; pH inicial, 6,0; agitação, 120 rpm; tempo de cultivo de 120 horas. Os experimentos foram realizados em Erlenmeyers de 250 mL, com volume de meio de 100 mL, agitados por agitador do tipo Shaker. A cepa que apresentou maior capacidade de acúmulo foi a Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063, que na concentração de 0,5 g/L de ZnSO4, apresentou o teor de zinco acumulado de 6.820 mg/kg de peso seco de biomassa. Testes foram realizados para verificar o tempo necessário de cultivo para produção de biomassa enriquecida com zinco, na concentração de 0,5 g/L de ZnSO4. Os tempos avaliados foram 24, 48, 72, 96 e 120 horas. A Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063 obteve o melhor acúmulo de zinco no tempo 120 horas, que foi de 7.997 mg/kg. Foi testada uma adaptação prévia da Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063 a concentrações crescentes do metal no meio, em cultivos com concentrações de ZnSO4 de 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 e 1,0 g/L. Os testes realizados com células da levedura não adaptadas obtiveram um maior acúmulo de zinco, que foi de 10.848 mg/kg, com adição de 1,0 g/L de ZnSO4 ao meio. Dois diferentes resíduos foram testados como fonte de carbono: o melaço de cana-de açúcar e o melaço de soja, nas concentrações de 5, 10 e 15 o Brix. Os melhores resultados obtidos foram nos testes utilizando o melaço de soja a 5º Brix e o melaço de cana-de-açúcar a 5º Brix, com acúmulo de 17.956 e 13.028 mg/kg, respectivamente. Três fontes de nitrogênio orgânico foram avaliadas: o extrato de levedura (10,0 g/L), a peptona caseinada (8,0 g/L), e o caldo de triptona de soja (8,0 g/L). A melhor fonte de nitrogênio orgânico para a retenção do zinco na biomassa foi o extrato de levedura, que em presença de 5º Brix de melaço de soja, gerou uma biomassa com 10.128 mg de zinco/kg. Foram testadas oito variáveis em um Planejamento Fatorial Fracion·rio 28-4: concentrações de ZnSO4, de MgSO4, de KH2PO4, de Extrato de Levedura, de Fe2(SO4)3; oBrix ; tempo de adição; e pH. A maior concentração de zinco acumulado encontrada foi de 24.982 mg/kg, e os fatores que geraram maior efeito positivo significativo no acúmulo de zinco foram as concentrações de ZnSO4 e de Fe2(SO4)3, de 2,5 g/L e 0,1 g/L, respectivamente. Estas duas variáveis significativas foram avaliadas em um Planejamento Fatorial Completo 32. A maior concentração de zinco acumulado obtida foi de 75.090 mg/kg, e a variável significativa identificada foi a concentração de ZnSO4, de 10,0 g/L. Foi avaliada a cinética de produção de biomassa rica em zinco orgânico em um fermentador de 2 L. O experimento demonstrou que a maior concentração de zinco orgânico total na biomassa ocorreu no tempo 144 horas, onde a concentração foi de 96.030 mg/kg. O aumento na concentração do metal na biomassa pode ser justificado pela realização do processo em fermentador, o que proporcionou melhoras na aeração e na agitação. Foram realizados testes para verificar a possibilidade de produção de vitamina B2 pela Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063. Esta cepa produziu concentrações desta vitamina muito baixas, que foram de 1,3 µg/ mL em ausência de luz, e 1,0 µg/ mL na presença de luz.

Abstract: The objective of this work was to develop a bioprocess for the production of an yeast biomass rich in organic zinc. Five strains had their zinc accumulation capacity evaluated in the following medium: sugarcane molasses, 5oBrix; yeast extract, 10 g/L; (NH4)2SO4, 5 g/L; KH2PO4, 5 g/L; MgSO4, 0,5 g/L. The tested concentrations of ZnSO4 were 0,05, 0,1, 0,2 and 0,5 g/L. The cultivation conditions were: temperature, 30 oC; initial pH, 6,0; agitation, 120 rpm; total cultivation time, 120 hours. The essays were performed in 250 mL Erlenmeyer flasks a 100 mL medium volume. The strain that presented the highest accumulation capacity was Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063, in the ZnSO4 concentration of 0,5 g/L, with an accumulated zinc concentration of 6.820 mg/kg per biomass dry weight. Tests were done to evaluate the cultivation time necessary for the production of the zinc enriched biomass, in the ZnSO4 concentration of 0,5 g/L. The evaluated times were 24, 48, 72, 96 and 120 hours. The Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063 had its best zinc accumulation in 120 hours, which was of 7.997 mg/kg. It was tested a previous adaptation of Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063 under increasing metal concentrations in the medium, in cultivations with ZnSO4 concentrations of 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 and 1,0 g/L. The essays with the yeast cells that suffered no adaptation obtained the best zinc accumulation, which was of 10.848 mg/kg, with the addition of 1,0 g/L of ZnSO4 to the medium. Two different residues were tested as a carbon source: the sugarcane molasses and the soybean molasses, in the 5, 10 and 15 o Brix concentrations. The best results were obtained in the tests using the 5º Brix soybean molasses, and the 5º Brix sugarcane molasses, with the accumulation of 17.956 and 13.028 mg/kg, respectively. Three nitrogen sources were evaluated: yeast extract (10,0 g/L), casein peptone (8,0 g/L), and soy triptone broth (8,0 g/L). The best organic nitrogen source for the zinc retention in the biomass was the yeast extract, which in the presence of 5º Brix of soybean molasses produced a biomass with 10.128 mg of zinc/kg. Eight variables were tested on a Fractional Factorial Design 28-4: concentrations of ZnSO4, of MgSO4, of KH2PO4, of yeast extract, of Fe2(SO4)3; o Brix; addition time; and pH. The highest concentration of accumulated zinc found was of 24.982 mg/kg, and the factors that created a significant positive effect over the zinc accumulation were the concentrations of ZnSO4 and of Fe2(SO4)3, of 2,5 g/L and 0,1 g/L, respectively. These two significant variables were evaluated on a Complete Factorial Design 32. The highest concentration of accumulated zinc obtained was of 75.090 mg/kg, and the identified significant variable was the concentration of ZnSO4 concentration, of 10,0 g/L. Cultivation kinetics was accomplished in a 2 L fermenter. The essay revealed that the highest concentration of total organic zinc occurred in 144 hours, which was of 96.030 mg/kg. The increase of the metal concentration in the biomass can be explained by the realization of this procedure in a fermenter, which provides improvements in the aeration and agitation. Tests were done to verify the possibility of vitamin B2 production by Pichia guilliermondii Wickerham NRRL Y 27063. This strain produced very low concentrations of this vitamin, which was of 1,3 µg/ mL in the absence of light, and 1,0 µg/ mL in the presence of light.