Estudo da cinética de produção de carotenoides de Sporobolomyces ruberrimus e de técnicas de extração de pigmentos

Abstract

Os carotenoides pigmentados podem ser produzidos por ampla variedade de bactérias, leveduras, fungos filamentosos, plantas e algas. Além de produzirem pigmentos que conferem cor, variando em tons amarelados, laranja e vermelho, os carotenoides são antioxidantes naturais e representam um grupo de moléculas valiosas para aplicações na indústria farmacêutica, química, de alimentos e rações. Os carotenoides sintetizados por Sporobolomyces ruberrimus são intracelulares e a rigidez da parede celular da levedura limita a extratibilidade desses compostos, necessitando a aplicação de métodos de extração para recuperação desses pigmentos. Este trabalho teve como objetivo estudar a cinética de produção de carotenoides em cultivo submerso de Sporobolomyces ruberrimus, buscando potencializar a biossíntese de torularrodina por meio de estresse oxidativo e investigar metodologias de extração de pigmentos empregando técnicas: mecânica, química e em alta pressão. Três concentrações de oxigênio dissolvido (20, 50, 80 %) foram empregadas no cultivo descontínuo de Sporobolomyces ruberrimus em biorreator, durante 72 h. Técnicas de ruptura celular e extração de carotenoides utilizando vórtex, ultrassom e agentes de lise: químico (dimetilsulfóxido) e mecânico (pérola de vidro) foram utilizadas para definir a técnica de quantificação de pigmentos em escala laboratorial. A morfologia celular foi verificada por microscopia eletrônica de varredura, após a aplicação de técnicas de ruptura da parede celular. Após 72 h de fermentação, a biomassa foi concentrada e liofilizada e utilizada como amostra para a extração supercrítica, técnica recentemente aplicada à extração de pigmentos. Os resultados demonstraram que a melhor condição para a biossíntese de torularrodina (11,948 mg.L-1) ocorreu no tratamento com concentração de 50 % de oxigênio dissolvido, com concentração de biomassa de 13,126 g.L-1, velocidade específica máxima de crescimento de 0,123 h-1, produção de carotenoides totais de 30,607 mg.L-1 (2,332 mg.g-1 de célula) e produtividade de metabólitos de 0,417 mg.L-1.h-1. A melhor técnica para extrair os pigmentos foi a de abrasão mecânica empregando pérola de vidro com agitação em vórtex. O uso da extração supercrítica utilizando células liofilizadas pré-tratadas por maceração com nitrogênio líquido e o uso de etanol como co-solvente demonstrou ser o melhor tratamento em termos de rendimento (3,11 %) e carotenoides totais extraídos (0,029 mg de carotenoides totais.g-1 de célula seca).<br>

Abstract : The pigmented carotenoids can be produced by a wide variety of bacteria, yeast, filamentous fungi, plants, and algae. In addition to producing pigments which color, ranging from yellow, orange and red tones, the carotenoids are natural antioxidants and represent a group of valuable molecules for applications in the pharmaceutical, chemical, food and feeding industries. Carotenoids are synthesized by Sporobolomyces ruberrimus in the intracellular environment and cell wall rigidity limits the extractability of such compounds, making the application of methods for recovery of these pigments necessary. The objective of this study was to study the carotenoid production kinetics in growing Sporobolomyces ruberrimus, seeking to enhance torularhodin biosynthesis by oxidative stress and investigate pigment extraction methods employing techniques, such as: mechanical, chemical and high pressure. Three concentrations of dissolved oxygen (20%, 50%, 80%) were used in submerged batch cultivation of S. ruberrimus, in bioreactor, at 72 h. Chemical (dimethyl sulfoxide) and mechanical (glass bead) techniques for cell disruption and extraction of carotenoids using a vortex, ultrasound and lysing agents were used to validate a pigment quantification technique at the laboratory scale. The cell morphology was observed by scanning electron microscopy, after applying the cell wall disruption techniques. After 72 h of fermentation, the biomass was concentrated and lyophilized and used as a sample for the supercritical extraction, this technique has been recently applied to the extraction of pigments. Results showed that the best condition for torularhodin biosynthesis (11.948 mg.L-1) was 50% of dissolved oxygen, with Xmax 13.126 g.L-1, µmax of 0.123 h-1, maximum production of carotenoids total of 30.607 g.L-1 (2,332 mg total carotenoids.g-1 cell) and productivity of metabolites of 0,417 mg.L-1.h-1. The best technique to extract the pigment was the mechanical abrasion using glass bead with vortexing. The use of supercritical extraction using lyophilized cells pretreated by soaking with liquid nitrogen and the use of ethanol as co-solvent proved to be the best treatment in terms of yield (3,11%) and extracted carotenoids (0,029 mg total carotenoids.g-1 of dry cell).