Production of lipids and polyunsaturated fatty acids by solid-state fermentation

Abstract

Solid-state fermentation (SSF) is a promising biotechnological process that allows the use of inert supports to the growth of microorganisms to obtain value-added products such as lipids. The use of this type of supports for the realization of SSF, such as polyurethane foam (PUF), offers better extraction processes and allows this residual plastic material to be reused. Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are essential in healthy diets and their production is extremely important, since mammals cannot synthesize them, so they need to ingest them from food sources. They are present in animal products such as marine fish oil, however there are associated problems such as overfishing of the oceans. Thus, microbial oil is a preferable source of PUFAs. In addition, other microbial lipids of high industrial interest can be produced using SSF in an inert support, such as stearic, oleic and palmitic acid. For this reason, the lipid production in SSF was evaluated using two microorganisms: a filamentous fungus (Mortierella alpina Peyronel 9412) and a yeast (Yarrowia lipolytica W29). In a first study, the culture medium for the production of PUFAs by M. alpina Peyronel 9412 in SSF was optimized using an inert support (PUF). The highest amount of total PUFAs (535.41 ± 24.12 mg/g PUF), linoleic acid (129.66 ± 5.84 mg/g PUF) and α-linoleic acid (401.93 ± 18.10 mg/g PUF) were produced when the culture medium contained 20 g/L glucose, 10% (w/v) linseed oil, the C/N ratio was adjusted to 25 and the incubation temperature was 25 °C for 3 days decreasing to 16 °C on the remaining 4 days of fermentation. In addition, a hemicellulosic hydrolysate absorbed to PUF was also used as a low-cost culture medium in SSF, with the growth and production of PUFAs being observed by the fungus, although in a smaller amount than with the synthetic medium. On the other hand, in a second study was tested the growth of yeast Y. lipolytica W29 and the production of lipids in SSF using PUF as well as its reuse in several fermentation cycles. It was found that the highest amount of lipids was obtained on the sixth day of fermentation. The fatty acid profile produced by this yeast showed a large amount of stearic acid (31.77 ± 1.59%), followed by palmitic acid (30.05 ± 1.50%) and linoleic acid (19.52 ± 0.98%). It was also possible to verify that when the PUF was squeezed, the cells were released to the culture medium, therefore, it is not useful to extract lipids from the support, since the biomass that is attached to it is reduced. Finally, 3 cycles of fermentation of 6 days each were carried out and only inoculum was added at the beginning of the first cycle. It was verified that when the PUF is squeezed after each fermentation cycle, some cells remain attached to it, being able to multiply with the addition of fresh medium. Through this study it was possible to conclude that SSF using an inert support such as PUF is a suitable biotechnological process for the production of value-added compounds such as lipids and, more specifically, PUFAs. The optimization of parameters such as temperature, C/N ratio and the addition of inductors will allow to define the fermentation conditions of other natural substrates such as agroindustrial residues.

A fermentação em estado sólido (SSF) é um processo biotecnológico promissor que permite o uso de suportes inertes para o crescimento de microrganismos de forma a obter produtos de valor acrescentado como lípidos. O uso deste tipo de suportes para a realização de SSF, como espuma de poliuretano (PUF), oferece melhores processos de extração e permite que este material plástico residual seja reaproveitado. Os ácidos gordos polinsaturados (PUFAs) são essenciais em dietas saudáveis e a sua produção é extremamente importante, uma vez que os mamíferos não conseguem sintetizalos, por isso precisam de ingeri-los de fontes alimentares. Existem em produtos de origem animal como o óleo de peixe marinho, no entanto existem problemas associados, como a sobrepesca dos oceanos. Assim, o óleo microbiano é uma fonte preferível de PUFAs. Além disso, outros lípidos microbianos com elevado interesse industrial podem ser produzidos utilizando SSF em suporte inerte, como é o caso do ácido esteárico, linoleico, oleico e palmítico. Por este motivo foi avaliada a produção de lípidos em SSF usando dois microrganismos: um fungo filamentoso (Mortierella alpina Peyronel 9412) e uma levedura (Yarrowia lipolytica W29). Num primeiro estudo foi otimizado o meio de cultura para a produção de PUFAs por M. alpina Peyronel 9412 em SSF utilizando um suporte inerte (PUF). Verificou-se que a maior quantidade de PUFAs totais (535.41 ± 24.12 mg/g PUF), ácido linoleico (129.66 ± 5.84 mg/g PUF) e ácido α-linoleico (401.93 ± 18.10 mg/g PUF) foi produzida quando o meio continha 20 g/L glucose, 10% (p/v) de óleo de linhaça, o rácio C/N era ajustado a 25 e a temperatura de incubação era de 25 ºC durante 3 dias descendo para 16 ºC nos restantes 4 dias de fermentação. Para além disso, foi também utilizado um hidrolisado hemicelulósico absorvido ao PUF, como meio de cultura de baixo custo em SSF, verificando-se o crescimento e produção de PUFAs por parte do fungo, ainda que em menor quantidade do que com o meio sintético. Por outro lado, num segundo estudo foi testado o crescimento da levedura Y. lipolytica W29 e a produção de lípidos em SSF utilizando PUF e a sua reutilização em vários ciclos de fermentação. Verificou-se que a maior quantidade de lípidos foi obtida ao sexto dia de fermentação. O perfil de ácidos gordos produzidos por esta levedura indica uma grande quantidade de ácido esteárico (31.77 ± 1.59%), seguido de ácido palmítico (30.05 ± 1.50%) e linoleico (19.52 ± 0.98%). Foi ainda possível verificar que quando a PUF foi espremida, as células saíram para o meio de cultura, não sendo, portanto, útil extrair lípidos do suporte, já que a biomassa que fica unida a ele é reduzida. Por fim, foram realizados 3 ciclos de fermentação de 6 dias cada um e só foi adicionado inóculo no início da primeira fermentação, verificando-se que, quando a PUF é espremida após cada ciclo de fermentação, algumas células permanecem unidas a ela, conseguindo multiplicar-se com a adição de meio fresco. Através deste estudo foi possível concluir que a SSF utilizando um suporte inerte como PUF é um processo biotecnológico adequado a produção de compostos de valor acrescentado como lípidos e, mais concretamente, PUFAs. A otimização dos parâmetros como a temperatura, ratio C/N e a adição de indutores permitirá definir as condições de fermentação de outros substratos naturais como os resíduos agroindustriais.