Produção de colorants naturais por Talaromyces amestolkiae para aplicação industrial - Oliveira, Fernanda de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2020)
Os colorantes naturais tornaram-se comercialmente importantes devido à menor toxicidade quando comparados aos colorantes sintéticos, à forte demanda dos consumidores por produtos mais naturais e à possível atividade biológica. Um dos requisitos cruciais para a introdução de colorantes naturais produzidos por microrganismos no mercado envolve a melhoria na produção, incluindo o desenvolvimento de cultivos reprodutíveis em biorreator. Diante disso, este trabalho objetivou produzir colorantes naturais por cultivo submerso de Talaromyces amestolkiae, em agitador rotativo e em biorreator tanque agitado em escala de bancada, e estudar a estabilidade desses compostos frente a diferentes valores de pH e presença de sais. Os estudos iniciais mostraram que em substituição às fontes complexas de nitrogênio (peptona de carne e extrato de carne), o glutamato monossódico (GMS) promoveu a produção de colorante vermelho solúvel sob baixo crescimento celular. Visando o aumento da produção, foram realizados ensaios em agitador rotativo avaliando diferentes variáveis (concentração de glicose, GMS, micronutrientes, pH e tamanho do inóculo). Verificou-se que o GMS e o pH desempenharam um papel importante na geração de condições de estresse, afetando o crescimento celular e a produção de colorantes, visto que a síntese de colorante parece ser desencadeada sob condições de estresse metabólico. Em condições ideais (gL-1): glicose (10), GMS (25), MgSO4 (0,012), FeSO4 (0,01), CaCl2 (0,015) e pH 5,0, um aumento de 30 vezes na produção em agitador rotativo foi alcançado, atingindo uma produção de colorante vermelho de 13,44 UA500nm. A suplementação do meio GMS-glicose com diversas fontes de amina também foi estudada, porém não teve efeito significativo na produção. Assim, a passagem do cultivo em agitador rotativo para o biorreator tanque agitado foi avaliada. Na primeira etapa dos cultivos em biorreator variou-se a composição do meio do inóculo e a vazão de ar. Em seguida, o tipo de impelidor foi avaliado empregando uma estratégia de controle de vazão de ar. O melhor resultado de produção de colorante vermelho (28,7 UA500nm) foi obtido sob aeração constante (4,0 Lmin-1) na frequência de agitação de 100 rpm pelos impelidores do tipo orelha de elefante, que representou um aumento de 2,05 vezes em relação às condições definidas em agitador rotativo. Nessa etapa foi verificado que a quantidade de biomassa inoculada, a morfologia do fungo, o tipo de impelidor empregado e o nível de oxigênio dissolvido são parâmetros fundamentais para que ocorra aumento na produção do colorante. O coeficiente de transferência de oxigênio volumétrico (kLa) do caldo de cultivo foi correlacionado com a morfologia celular, que variou de acordo com a geometria do impelidor e devido às condições de cisalhamento impostas às células do fungo. Paralelamente aos estudos de produção, avaliou-se a estabilidade dos colorantes vermelhos presentes no meio fermentado nos valores de pH entre 1,0 e 13 e na presença dos sais K3PO4 e MnSO4. Os colorantes vermelhos apresentaram estabilidade da cor na faixa de pH de 3,0 a 9,0 e não foram estáveis na presença dos sais K3PO4 e MnSO4. Ademais, os colorantes apresentaram instabilidade em termos de fluorescência após adição de ambos os sais. Esses resultados demonstram que a espécie T. amestolkiae tem grande potencial para produção de colorante em larga escala.

Natural colorants have become commercially important due to their lower toxicity when compared to synthetic colorants, the strong consumer demand for more natural products and their possible biological activity. One of the crucial requirements for the introduction of natural colorants produced by microorganisms into the market involves improvements in production, including the development of reproducible bioreactor cultivations. Therefore, this work aimed to produce natural colorants by submerged cultivation of Talaromyces amestolkiae, in rotary agitator and in stirred tank bioreactor, and to study the stability of these compounds in different pH values and in the presence of salts. Initial studies have shown that in replacement of complex sources of nitrogen (meat peptone and meat extract), monosodium glutamate (MSG) promoted the production of soluble red colorant under low cell growth. In order to increase the red colorant production, tests were carried out on a rotary agitator evaluating different variables (glucose, MSG and micronutrients concentration, pH and inoculum size). It was found that MSG and pH played an important role in the generation of stress conditions, affecting cell growth and the production of colorants, since the colorant synthesis seems to be triggered under conditions of metabolic stress. Under ideal conditions (gL-1): glucose (10), MSG (25), MgSO4 (0.012), FeSO4 (0.01), CaCl2 (0.015) and pH 5.0, a 30-fold increase in rotary agitator production was achieved, reaching a red colorant production of 13.44 UA500nm. Supplementation of the MSG-glucose medium with several amine sources has also been studied, however it had no significant effect on production. Thus, the scaling-up of the process, from rotary agitator to stirred tank bioreactor, was evaluated. In the first stage of cultivation in bioreactor, the composition of the inoculum medium and the air flow were evaluated. Then, the type of impeller was evaluated using an air flow control strategy. The best result of the production of red colorant (28.7 UA500nm) was obtained under constant aeration (4.0 Lmin-1) at the agitation frequency of 100 rpm by the elephant ear impeller type, which represented an increase of 2.05-fold in relation to the conditions defined in rotary agitator. In this stage it was verified that the quantity of inoculated biomass, the morphology of the fungus, the type of impeller employed, and the level of dissolved oxygen are fundamental parameters for an increase in the colorant production. The volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) of the cultivation broth was correlated with cell morphology, which varied according to the impeller geometry and due to the shear conditions imposed to the fungus cells. Parallel to the production studies, the stability of the red colorants present in the fermented medium was evaluated at pH values between 1.0 and 13 and in the presence of the K3PO4 and MnSO4 salts. The red colorants showed color stability in the pH range of 3.0 to 9.0 and were not stable in the presence of K3PO4 and MnSO4 salts. In addition, the colorants showed instability in terms of fluorescence after addition of both salts. These results demonstrate that the species T. amestolkiae has great potential for large-scale color production.
Production of natural colorants by Talaromyces amestolkiae for industrial application
Keywords: Talaromyces amestolkiae; colorantes naturais; bioprocesso; biorreatores