Optimization of asparaginase production from Zymomonas mobilis by continuous fermentation / Otimização da produção de asparaginase de Zymomonas mobilis por fermentação contínua

Asparaginase is an enzyme used in clinical treatments as a chemotherapeutic agent and in food technology to prevent acrylamide formation in fried and baked foods. Asparaginase is industrially produced by microorganisms, mainly gram-negative bacteria. Zymomonas mobilis is a Gram-negative bacterium that utilizes glucose, fructose and sucrose as carbon source and has been known for its efficiency in producing ethanol, sorbitol, levan, gluconic acid and has recently aroused interest for asparaginase production. Current assay optimizes the production of Z. mobilis asparaginase by continuous fermentation using response surface experimental design and methodology. The studied variables comprised sucrose, yeast extract and asparagine. Optimized condition obtained 117.45 IU L-1 with dilution rate 0.20 h-1, yeast extract 0.5 g L-1, sucrose 20 g L-1 and asparagine 1.3 g L-1. Moreover, carbon:nitrogen ratio (1:0.025) strongly affected the response of asparaginase activity. The use of Z. mobilis by continuous fermentation has proved to be a promising alternative for the biotechnological production of asparaginase.(AU)

A asparaginase é uma enzima usada em tratamento clínico como agente quimioterapêutico e em tecnologia de alimentos na prevenção de formação de acrilamida em alimentos fritos e assados. Asparaginase é industrialmente produzida por micro-organismos, principalmente bactérias gram negativas. Zymomonas mobilis é uma bactéria gram negativa que utiliza glicose, frutose e sacarose como fonte de carbono e é conhecida por sua eficiência para produzir etanol, sorbitol, levana, ácido glicônico, e mais recentemente, tem despertado interesse no uso desse micro-organismo na produção de asparaginase. Este trabalho teve como objetivo otimizar a produção de asparaginase de Z. mobilis por fermentação contínua, pelo uso do delineamento experimental e da metodologia da superfície de resposta, testando as variáveis: sacarose, extrato de levedura e asparagina. A condição ótima alcançada, com produção de 117,45 UI L-1 foi na taxa de diluição 0,20 h-1, utilizando 0,5 g L-1 de extrato de levedura, 20 g L-1 de sacarose e 1,3 g L-1 de asparagina. Observou-se que a relação carbono:nitrogênio (1:0,025) exerceu forte influência na resposta da atividade de asparaginase. A utilização de Z. mobilis por fermentação contínua demonstrou ser uma alternativa promissora na produção biotecnológica da asparaginase.(AU)

Evaluation of supplementation of sucrose medium on the synthesis of Zymomonas mobilis bio-products / Avaliação da suplementação do meio de sacarose na formação de bio–produtos por Zymomonas mobilis

The effect of the variables pantothenic acid, yeast extract and sodium chloride, as well as the cell permeabilization technique, were investigated on the formation of levan, ethanol, sorbitol and biomass of Zymomonas mobilis, using a 24-1 fraction factorial design. Cell growth was determined by turbidimetry at 605 nm, relating it to a biomass with a dry weight calibration curve. Reducing sugars were quantified according to Somogyi and Nelson. Total sugars were quantified by the phenol-sulfuric acid method, sorbitol by HPLC and ethanol. The levan produced was precipitated by the addition of absolute ethanol and quantified in fructose units. In levan biosynthesis, the variable that had the largest contribution was cell condition. The results suggested that the factors that most affected biomass and ethanol formation were sodium chloride concentration and cell condition that affected negatively on production. For sorbitol, the variable that had a significant effect was permeabilization, which decreased its synthesis. Studies to amplify the range of established factors would be important.

A influência das variáveis: ácido pantotênico, extrato de levedura, cloreto de sódio, e a técnica de permeabilização celular foram investigadas na formação de levana, sorbitol, etanol e biomassa de Zymomonas mobilis utilizando um delineamento estatístico fatorial fracionado 24-1. A biomassa foi determinada por turbidimetria, Os açúcares redutores foram quantificados por Somogy e Nelson, açúcar total por Fenol Sulfúrico, sorbitol por HPLC e etanol por micro-destilação. A levana produzida foi precipitada com etanol absoluto e determinada como unidade de frutose. Na biossíntese de levana, a variável que mais contribuiu foi a condição celular. Os resultados sugerem que, para a formação da biomassa e etanol, os fatores que mais interferiram foram a concentração de cloreto de sódio e a condição celular que influencia negativamente a produção. Para o sorbitol, a variável que teve efeito significativo foi a permeabilização celular que atuou diminuindo a sua síntese. Estudos que ampliam a faixa de variação dos fatores estabelecidos são interessantes.

Evaluation of supplementation of sucrose medium on the synthesis of Zymomonas mobilis bio-products / Avaliação da suplementação do meio de sacarose na formação de bio–produtos por Zymomonas mobilis

The effect of the variables pantothenic acid, yeast extract and sodium chloride, as well as the cell permeabilization technique, were investigated on the formation of levan, ethanol, sorbitol and biomass of Zymomonas mobilis, using a 24-1 fraction factorial design. Cell growth was determined by turbidimetry at 605 nm, relating it to a biomass with a dry weight calibration curve. Reducing sugars were quantified according to Somogyi and Nelson. Total sugars were quantified by the phenol-sulfuric acid method, sorbitol by HPLC and ethanol. The levan produced was precipitated by the addition of absolute ethanol and quantified in fructose units. In levan biosynthesis, the variable that had the largest contribution was cell condition. The results suggested that the factors that most affected biomass and ethanol formation were sodium chloride concentration and cell condition that affected negatively on production. For sorbitol, the variable that had a significant effect was permeabilization, which decreased its synthesis. Studies to amplify the range of established factors would be important.(AU)

A influência das variáveis: ácido pantotênico, extrato de levedura, cloreto de sódio, e a técnica de permeabilização celular foram investigadas na formação de levana, sorbitol, etanol e biomassa de Zymomonas mobilis utilizando um delineamento estatístico fatorial fracionado 24-1. A biomassa foi determinada por turbidimetria, Os açúcares redutores foram quantificados por Somogy e Nelson, açúcar total por Fenol Sulfúrico, sorbitol por HPLC e etanol por micro-destilação. A levana produzida foi precipitada com etanol absoluto e determinada como unidade de frutose. Na biossíntese de levana, a variável que mais contribuiu foi a condição celular. Os resultados sugerem que, para a formação da biomassa e etanol, os fatores que mais interferiram foram a concentração de cloreto de sódio e a condição celular que influencia negativamente a produção. Para o sorbitol, a variável que teve efeito significativo foi a permeabilização celular que atuou diminuindo a sua síntese. Estudos que ampliam a faixa de variação dos fatores estabelecidos são interessantes.(AU)

Application of fractional factorial design to levan production by Zymomonas mobilis

Levan is a non-toxic, biologically active, extra cellular polysaccharide composed solely by fructose units. Optimization of levan production by Zymomonas mobilis strain ZAG-12 employing a 2(4-1) fractional factorial design was performed to analyze the influence of the temperature (20, 25 e 30ºC) agitation (50, 75 e 100 rpm), and the initial concentrations of both sucrose (150, 200 e 250 g.L-1) and yeast extract (2.0, 3.5 e 5.0g.L-1) on final levan concentration. Aerobic fermentation was performed batchwise in 500mL Pyrex flasks for 72 hours. Biomass, ethanol, levan and sucrose were determined at beginning and also at end of the fermentations. The experiments showed that the final levan concentration depended on initial sucrose concentration, temperature and agitation velocity and that the initial concentration of yeast extract did not influence levan production. However, when the production of ethanol and biomass were considered, it became evident that yeast extract was a significant variable. The best conditions for levan production occurred at 100 rpm agitation, 20ºC and 250g.L-1 of initial sucrose resulting in 14.67g.L-1 of levan.

Levana é um polissacarídeo extracelular, biologicamente ativo, não tóxico, contendo em sua estrutura apenas frutose. A maximização da produção de levana, por via fermentativa, pela linhagem de Zymomonas mobilis ZAG-12, foi estudada utilizando-se um planejamento fatorial de dois níveis 2(4-1), variando-se as concentrações iniciais de sacarose (150, 200 e 250 g.L-1) , extrato de levedura (2.0, 3.5 e 5.0 g.L-1), temperatura (20, 25 e 30ºC) e agitação (50, 75 e 100 rpm). As fermentações foram desenvolvidas por processos descontínuos em frascos Pyrex roscados, de 500 mL, contendo 300 mL de meio a base de sacarose, por 72 horas. No início e ao final do processo, foram dosados: biomassa, etanol, levana e sacarose como açúcares redutores totais. A análise dos dados mostra que o aumento da produção de levana depende tanto dos efeitos da concentração inicial de sacarose, temperatura e agitação, isoladamente, quanto da interação entre agitação e temperatura na faixa experimental estudada. O extrato de levedura não afeta a produção de levana, entretanto, quando a resposta é produção de etanol e biomassa, fica evidente que essa variável é significativa. Os resultados demonstraram que as melhores condições para a produção em batelada ocorreram com 250g/L de sacarose inicial, 100 rpm de agitação, a 20ºC.

Bacterial Levan: tecnological aspects, characteristics and production / Levana Bacteriana: aspectos tecnológicos, características e produção

Levan is an exopolysaccharide, constituted by fructose units, ? (2- 6) linked, obtained by transfructosilation reaction during microorganisms fermentation in a sucrose rich but wi thout glucose, fructose or mixtures in the culture media. Bacterial levan production is a good alternative fructose source, besides having certain functional characteristics in the human body, such as a hypocholesterolemic and an anticarcinogenic agent. In the food industry, levan can be used to fix colors and flavors, as well as thickening and stabilizing agent. In the bacterial levan production, Zymomonas mobilis has been considered the best possible alternative, since it uses as carbon source sucrose or industrial residues that contain this sugar, in different concentrations, in a mineral salts rich medium. Levan production is not only influenced by carbon source and its concentration, but also by pH, temperature and type of salts. Moreover, the oxygenation of the fermentation medium, also affect the characteristics of the molecule and the cellular growth. In this revision some important topics concerning the bacterial levan production are presented.

Levana é um exopolissacarídeo, constituído por unidades de frutose, unidas através de ligações ? (2- 6), obtido pela reação de transfrutosilação durante a fermentação de microrganismos em meio rico em sacarose mas não em frutose, glucose ou misturas de ambas. Pesquisas sobre bactérias produtoras de levana vêm sendo implementadas, uma vez que a mesma é uma fonte alternativa de frutose, além de apresentar características funcionais no organismo humano, como agente hipocolesterolêmico e anticarcinogênico. Na indústria de alimentos a levana pode ser empregada como fixador de cores e sabores, bem como espessante e estabilizante de vários alimentos. Das bactérias produtoras de levana, Zymomonas mobilis tem sido a melhor alternativa, uma vez que usa como fonte de carbono a sacarose ou resíduos industriais contendo este açúcar, em diferentes concentrações, em um meio rico em sais minerais. A produção de levana é influenciada não apenas pela fonte de carbono e sua concentração, mas também pelas variações de pH, temperatura e tipo de sais presentes, além da oxigenação do meio de fermentação, afetando também as características da molécula e o crescimento celular. Neste trabalho de revisão apresentam-se tópicos de interesse referentes à produção de levana bacteriana.

Bacterial Levan: tecnological aspects, characteristics and production / Levana Bacteriana: aspectos tecnológicos, características e produção

Levan is an exopolysaccharide, constituted by fructose units, ? (2- 6) linked, obtained by transfructosilation reaction during microorganisms fermentation in a sucrose rich but wi thout glucose, fructose or mixtures in the culture media. Bacterial levan production is a good alternative fructose source, besides having certain functional characteristics in the human body, such as a hypocholesterolemic and an anticarcinogenic agent. In the food industry, levan can be used to fix colors and flavors, as well as thickening and stabilizing agent. In the bacterial levan production, Zymomonas mobilis has been considered the best possible alternative, since it uses as carbon source sucrose or industrial residues that contain this sugar, in different concentrations, in a mineral salts rich medium. Levan production is not only influenced by carbon source and its concentration, but also by pH, temperature and type of salts. Moreover, the oxygenation of the fermentation medium, also affect the characteristics of the molecule and the cellular growth. In this revision some important topics concerning the bacterial levan production are presented.

Levana é um exopolissacarídeo, constituído por unidades de frutose, unidas através de ligações ? (2- 6), obtido pela reação de transfrutosilação durante a fermentação de microrganismos em meio rico em sacarose mas não em frutose, glucose ou misturas de ambas. Pesquisas sobre bactérias produtoras de levana vêm sendo implementadas, uma vez que a mesma é uma fonte alternativa de frutose, além de apresentar características funcionais no organismo humano, como agente hipocolesterolêmico e anticarcinogênico. Na indústria de alimentos a levana pode ser empregada como fixador de cores e sabores, bem como espessante e estabilizante de vários alimentos. Das bactérias produtoras de levana, Zymomonas mobilis tem sido a melhor alternativa, uma vez que usa como fonte de carbono a sacarose ou resíduos industriais contendo este açúcar, em diferentes concentrações, em um meio rico em sais minerais. A produção de levana é influenciada não apenas pela fonte de carbono e sua concentração, mas também pelas variações de pH, temperatura e tipo de sais presentes, além da oxigenação do meio de fermentação, afetando também as características da molécula e o crescimento celular. Neste trabalho de revisão apresentam-se tópicos de interesse referentes à produção de levana bacteriana.

Bacterial Levan: tecnological aspects, characteristics and production / Levana Bacteriana: aspectos tecnológicos, características e produção

Levan is an exopolysaccharide, constituted by fructose units, ? (2- 6) linked, obtained by transfructosilation reaction during microorganisms fermentation in a sucrose rich but wi thout glucose, fructose or mixtures in the culture media. Bacterial levan production is a good alternative fructose source, besides having certain functional characteristics in the human body, such as a hypocholesterolemic and an anticarcinogenic agent. In the food industry, levan can be used to fix colors and flavors, as well as thickening and stabilizing agent. In the bacterial levan production, Zymomonas mobilis has been considered the best possible alternative, since it uses as carbon source sucrose or industrial residues that contain this sugar, in different concentrations, in a mineral salts rich medium. Levan production is not only influenced by carbon source and its concentration, but also by pH, temperature and type of salts. Moreover, the oxygenation of the fermentation medium, also affect the characteristics of the molecule and the cellular growth. In this revision some important topics concerning the bacterial levan production are presented.

Levana é um exopolissacarídeo, constituído por unidades de frutose, unidas através de ligações ? (2- 6), obtido pela reação de transfrutosilação durante a fermentação de microrganismos em meio rico em sacarose mas não em frutose, glucose ou misturas de ambas. Pesquisas sobre bactérias produtoras de levana vêm sendo implementadas, uma vez que a mesma é uma fonte alternativa de frutose, além de apresentar características funcionais no organismo humano, como agente hipocolesterolêmico e anticarcinogênico. Na indústria de alimentos a levana pode ser empregada como fixador de cores e sabores, bem como espessante e estabilizante de vários alimentos. Das bactérias produtoras de levana, Zymomonas mobilis tem sido a melhor alternativa, uma vez que usa como fonte de carbono a sacarose ou resíduos industriais contendo este açúcar, em diferentes concentrações, em um meio rico em sais minerais. A produção de levana é influenciada não apenas pela fonte de carbono e sua concentração, mas também pelas variações de pH, temperatura e tipo de sais presentes, além da oxigenação do meio de fermentação, afetando também as características da molécula e o crescimento celular. Neste trabalho de revisão apresentam-se tópicos de interesse referentes à produção de levana bacteriana.

Effect of the presence of initial ethanol on ethanol production in sugar cane juice fermented by Zymomonas mobilis

Ethanol production in sugar cane juice in high initial sugar concentration, fermented by Z. mobilis in the presence and absence of ethanol, was evaluated. Ethanol production was low in both media. The presence of initial ethanol in the sugar cane juice reduced ethanol production by 48.8%, biomass production by 25.0% and the total sugar consumption by 28.3%. The presence of initial ethanol in the medium did not affect significantly levan production and biomass yield coefficient (g biomass/g sugar consumed).

Foi avaliada a produção de etanol em caldo de cana-de-açúcar com alta concentração de açúcar inicial, fermentado por Z. mobilis, na presença e na ausência de etanol inicial. A produção de etanol nos dois meios foi baixa. A presença de etanol inicial no caldo de cana-de-açúcar causou uma redução de 48,8% na produção de etanol, de 25% na produção de biomassa e de 28,3% no consumo de açúcar total. A presença de etanol inicial ao meio não teve efeito significante para a produção de levana e no coeficiente de produtividade em biomassa (g biomassa/g açúcar consumido).