Carotenoides por cultivo submerso de Rhodotorula Glutinis CCT-2186: estratégias de incremento da produção e aplicações em produtos cosméticos e alimentícios - Lima, Julio Gabriel Oliveira de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Os carotenoides são colorantes naturais responsáveis pelas cores vibrantes, amarelo, laranja e vermelho em uma variedade de alimentos, principalmente, frutas e vegetais. Porém, esses compostos podem também ser produzidos por vias biotecnológicas pelos microrganismos. Algumas classes de carotenoides desempenham diversas funções na saúde humana devido à sua atividade antioxidante e à capacidade de atuarem como precursores da vitamina A, como é o caso do β-caroteno. Por conseguinte, os carotenoides são utilizados não apenas como colorantes naturais, mas também como aditivos nutricionais na indústria alimentícia. No entanto, obter esses compostos de fontes naturais com alto rendimento e pureza representa um desafio significativo, resultando em altos custos de produção. Dessa maneira, ferramentas estatísticas, como Modelos Polinomiais (MP) derivados de regressões múltiplas, podem auxiliar no aprimoramento desse processo, apesar dos desafios apresentados por sistemas não lineares. Assim, este estudo teve como objetivo incrementar a produção de carotenoides, com destaque para a torularodina, por cultivo submerso da levedura Rhodotorula glutinis CCT-2186, utilizando planejamentos experimentais. Para tanto, foi empregado delineamentos Plackett-Burman, e como primeiro resultado de interesse, a asparagina foi substituída do meio de cultivo por extrato de levedura. Posteriormente, através de estudos avaliando fontes de nitrogênio, o extrato de levedura foi substituído por extrato de malte pois o último levou a maior produção das moléculas de interesse. Além disso, a introdução do surfactante Tween 80 no meio de cultivo e a extensão do tempo de cultivo de 72 para 96 h aumentaram 377,68% a produção de torularodina, atingindo 2,097 mg/mL na melhor condição como segue (% m/v): dextrose (1), KH2PO4 (0,052), MgSO4.7H2O (0,052) e NH4NO3 (0,4), extrato de malte (0,793) com pH 5,0/96 h/30 °C. Adicionalmente, foi realizado um Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) com duas variáveis independentes, Tween 80 e extrato de malte, considerando a produção da torularodina como variável resposta. Os resultados preditos pelo modelo foram confrontados com preditos por Redes Neurais Artificiais (RNA), os quais indicaram a eficácia das previsões realizadas pela RNA quando comparadas aos valores experimentais. Isso ressalta o potencial das RNA quando os modelos polinomiais não atingem os resultados esperados. Posteriormente, em biorreator tipo tanque agitado obteve-se uma produção de torularodina 26,75% superior a melhor produção em agitador orbital. Além disso, os carotenoides presentes no extrato bruto foram isolados com níveis de pureza de 83,15% 80,63% e 81,88% para torularodina, toruleno e β-caroteno, respectivamente. Ademais, foi observado que o extrato era comporto por 57,39% de torularodina, 18,16% de toruleno e 24,45% de β-caroteno. Por fim, foi demonstrada a viabilidade de utilizar o extrato contendo carotenoides como colorante alimentício em gelatina comestível e como componente cosmético em sabonete líquido. Esses resultados demonstram que os estresses nutricionais, físicos e mecânicos aumentaram a produção de carotenoides por R. glutinis. Ademais, foi possível utilizar o extrato bruto em produtos cosméticos e alimentícios.

Carotenoids are natural pigments responsible for the vibrant colors, yellow, orange, and red in a variety of foods, primarily fruits and vegetables. However, these compounds can also be produced through biotechnology by microorganisms. Some classes of carotenoids play various roles in human health due to their antioxidant activity and their ability to act as precursors of vitamin A, such as β-carotene. Consequently, carotenoids are used not only as natural colorants but also as nutritional additives in the food industry. However, obtaining these compounds from natural sources with high yield and purity represents a significant challenge, resulting in high production costs. Thus, statistical tools, like Polynomial Models (PM) derived from multiple regressions, can assist in improving this process, despite the challenges posed by nonlinear systems. Therefore, this study aimed to increase the production of carotenoids, especially torularhodin, by submerged cultivation of the yeast Rhodotorula glutinis CCT-2186, using experimental design. To this end, Plackett-Burman designs were employed, and as a first result of interest, asparagine was replaced in the culture medium with yeast extract. Subsequently, through studies on nitrogen sources, yeast extract was replaced with malt extract as the latter led to higher production of the molecules of interest. Additionally, the introduction of the surfactant Tween 80 in the culture medium and the extension of the cultivation time from 72 to 96 h increased torularhodin production by 377.68%, reaching 2.097 mg/mL in the best- condition as follows (% w/v): dextrose (1), KH2PO4 (0.052), MgSO4.7H2O (0.052), and NH4NO3 (0.4), malt extract (0.793) with pH 5.0/96 h/30 °C. Furthermore, a Central Composite Rotational Design (CCRD) was performed with two independent variables, Tween 80 and malt extract, considering torularhodin production as the response variable. The results predicted by the model were compared with those predicted by Artificial Neural Networks (ANN). The comparison indicated the effectiveness of the predictions made by ANN when compared to experimental values. This highlights the potential of ANN when polynomial models do not achieve the expected results. Subsequently, in a stirred tank bioreactor the torularhodin production was 26.75% higher than the best condition obtained in orbital shaker. Additionally, the carotenoids present in the crude extract were isolated with purity levels of 83.15%, 80.63%, and 81.88% for torularhodin, torulene, and β-carotene, respectively. Furthermore, it was observed that the extract was composed of 57.39% torularhodin, 18.16% torulene, and 24.45% β-carotene. Finally, the feasibility of using the extract containing carotenoids as a food colorant in edible gelatin and as a component in cosmetic liquid soap was demonstrated. These results show that nutritional, physical, and mechanical stresses increased carotenoid production by R. glutinis. Moreover, it was possible to use the crude extract in cosmetic and food products.
Carotenoids by submerted cultivation of Rhodotorula Glutinis CCT-2186: strategies for increasing production and applications in cosmetic and food products
Keywords: Carotenoides microbianos; Produtos biotecnológicos; Bioativos; Biossíntese; Microbial carotenoids; Biotechnological products; Bioactive compounds; Biosynthesis