Использование экологически безопасного микромицета рода Rhodotorula для получения кормового каротинсодержащего концентрата

Цель работы. Изучение возможности использования экологически безопасного штамма дрожжей рода Rhodotorula для биоконверсии вторичного продукта переработки гороховой муки на белковый концентрат (сыворотки) в кормовую каротиноидсодержащую биомассу.

Материал и методы. Использовали новый штамм Rhodotorula mucilaginosa 111 и вторичные продукты переработки гороховой и нутовой муки на белковые концентраты и картофеля на крахмал (сыворотку). Применяли стандартные и специальные методы анализа сыворотки и микробно‐растительного концентрата (КМРК): химические, биохимические, микробиологические, определение токсичности с инфузориями.

Результаты. Определены оптимальные режимы выращивания R. mucilaginosa 111 на гороховой сыворотке (температура 16,9^оС; pH 7,8; количество посевного материала 1,85%). Биомассы на гороховой сыворотке синтезировалось больше, чем на нутовой и картофельной сыворотке – 81 г/дм³. Массовая доля белка в биомассе – 58,90±3,03% на сухое вещество, скор незаменимых аминокислот – 119–243%. Липиды включали 20% насыщенных и 78% ненасыщенных жирных кислот, линолевой кислоты – 45,26±0,70%, олеиновой – 24,04±0,76%, пальмитолеиновой – 6,46±0,31%, пальмитиновой – 13,70±0,81%. Дрожжи продуцировали производные фитоина, торулен, β‐каротин, торулародин, фитоин. КМРК из гороховой сыворотки стимулировал рост инфузории Tetrahymena pyriformis на 29,1%, из нутовой сыворотки – на 18,6% интенсивнее, чем дистиллированная вода, картофельная сыворотка понижала коэффициент ее роста.

Заключение. Сухая биомасса экологически безопасного нового штамма дрожжей R. mucilaginosa 111 содержала необходимые для кормления животных полноценные белки, липиды, минералы, каротиноиды; жидкую гороховую сыворотку возможно использовать для ее биоконверсии и в целях исключения загрязнения окружающей среды.

1. Matilde С., Lippolis A., Fava F., Rodolfi L. Microbes: Food for the Future // Foods. 2021. V. 10. N 5. P. 971 DOI: 10.3390/foods10050971

2. Shurson G.C. Yeast and yeast derivatives in feed additives and ingredients animal feed science and technology // Animal Feed Science and Technology. 2018. V. 235. P. 60–76. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2017.11.010

3. Martiniano S., Philippini R., Franco-Marcelino P.R. Effect of selenium uptake on growth metabolism in yeasts for the production of enriched single-cell protein using agro-industrial by-products // Biomass Conversion and Biorefinery. 2022. V. 12. P. 3975–3983. DOI:10.1007/s13399-020-00885-w

4. Kieliszek M., Kot A., Bzducha-Wróbel A., Stanisław Błażejak S. Biotechnological use of Candida yeasts in the food industry: A review // Fungal Biology Reviews. 2017. V. 31. N 4. P. 185–198. DOI: 10.1016/j.fbr.2017.06.001

5. Колодина Е.Н., Артемьева О.А., Котковская Е.Н., Павлюченкова О.В., Переселкова Д.А. Изучение биологической безопасности дрожжей рода Candida как потенциального источника кормового белка // Вестник ОрелГАУ. 2016. Т. 5. N 62. С. 72–78. DOI:10.15217/48484

6. Серба Е.М., Соколова Е.Н., Фурсова Н.А., Волкова Г.С., Борщева ЮА., Курбатова Е.И., Куксова Е.В. Получение биологически активных добавок на основе обогащенной дрожжевой биомассы // Хранение и переработка сельхозсырья. 2018. Т. 2. С. 74–79.

7. Frengova G.I., Beshkova D.M., Carotenoids from Rhodotorula and Phaffia: Yeasts of Biotechnological Importance // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2009. V. 36. N 2. P. 163–180. DOI: 10.1007/s10295-008-0492-9

8. Young A.J., Lowe G.M., Young A.J. and Lowe G.M. Antioxidant and Prooxidant Properties of Carotenoids // Archives of Biochemistry and Biophysics. 2001. V. 385. N 1. P. 20–27. DOI: 10.1006/abbi.2000.2149

9. Шашкина М.Я., Шашкин П.Н., Сергеев А.В. Роль каротиноидов в профилактике наиболее распространенных заболеваний. Лекарственная терапия // Российский биотерапевтический журнал. 2010. Т. 9. N 1. С. 77–86.

10. Кузьминова Е.В., Семененко М.П., Кощаев А.Г., Трошин А.Н. Биологические функции каротиноидов при воспроизводстве крупного рогатого скота // Научный журнал КубГАУ. 2017. Т. 129. С. 1124–1136. DOI: 10.21515/1990-4665-129-080

11. Lowe G.M., Booth L.A., Young A.J., Bilton R.F. Lycopene and beta-carotene protect against oxidative damage in HT29 cells at low concentrations but rapidly lose this capacity at higher doses // Free Radical Research. 1999. V. 30. N 2. P. 141–151. DOI: 10.1080/10715769900300151

12. Saini R.K., Keum Y.-S., Daglia M., Rengasamy K.R. Dietary carotenoids in cancer chemoprevention and chemotherapy: A review of emerging evidence // Pharmacological Research. 2020. V. 155. Article Number: 104730. DOI: 10.1016/j.phrs.2020.104730

13. Zhao B., Ren B., Guo R., Zhang W., Ma S., Yao Y., Yuan T., Liu Z., Liu X., Zhao B., et al. Supplementation of lycopene attenuates oxidative stress induced neuroinflammation and cognitive impairment via Nrf2/NF-κB transcriptional pathway // Food and Chemical Toxicology. 2017. V. 109. Pt 1. P. 505–516. DOI: 10.1016/j.fct.2017.09.050

14. Kaulmann A., Bohn T., Kaulmann A., et al. Carotenoids, inflammation, and oxidative stress-implications of cellular signaling pathways and relation to chronic disease prevention // Nutrition Research. 2014. V. 34. N 11. P. 907–929. DOI: 10.1016/j.nutres.2014.07.010

15. Juhyun Shin, Min-Ho Song, Jae-Wook Oh, Young-Soo Keum, Ramesh Kumar Saini, Pro-oxidant Actions of Carotenoids in Triggering Apoptosis of Cancer Cells: A Review of Emerging Evidence // Antioxidants. 2020. V. 9. N 6. p. 532. DOI: 10.3390/antiox9060532

16. Оразова С.Б., Карпенюк Т.А., Шарипов К.О., Азимханова Б.Б., Гончарова А.В. Изучение жирнокислотного состава и антимикробной активности суммарных экстрактов липидов зеленых микроводорослей // Вестник Казахского Национального медицинского университета. 2017. Т. 3. С. 240–242.

17. Saini R.K., Keum Y-S. Microbial platforms to produce commercially vital carotenoids at industrial scale: An updated review of critical issues // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2019. V. 46. N 5. P. 657–674. DOI: 10.1007/s10295-018-2104-7

18. Кощаев А.Г., Калюжный С.А., Кощаева О.В., Гавриленко Д.В., Елисеев М.А. Функциональные кормовые добавки из каротинсодержащего растительного сырья для птицеводства // Научный журнал КубГАУ. 2013. Т. 93. С. 334–343.

19. Korumilli T., Susmita M. Carotenoid production by Rhodotorula sp. on fruit waste extract as a sole carbon source and optimization of key parameters // Iranian Journal of Chemistry & Chemical Engineering-International. 2014. V. 33. P. 89–99.

20. Tang W., Wang Y., Zhang J., Cai Y., He Z. Biosynthetic Pathway of Carotenoids in Rhodotorula and Strategies for Enhanced Their Production // Applied microbiology and biotechnology. 2019. V. 29. N 4. P. 507–517. DOI: 10.4014/jmb.1801.01022

21. Moliné M., Flores M.R., Libkind D., del Carmen D.M., Farías M.E., van Broock M. Photoprotection by carotenoid pigments in the yeast Rhodotorula mucilaginosa: the role of torularhodin // Photochemical & Photobiological Sciences. 2010. V. 9. P. 1145–1151. DOI: 10.1039/c0pp00009d

22. Buzzini P., Innocenti M., Turchetti B., Libkind D., van Broock M., Mulinacci N. Carotenoid profiles of yeasts belonging to the genera Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces and Sporidiobolus // Canadian Journal of Microbiology. 2007. V. 53. P. 1024–1031. DOI: 10.1139/W07-068

23. Matselyukh B.P., Matselyukh D.Ya., Golembiovska S.L., Gural S.V. Isolation of Phaffia rhodozyma yeasts mutants under increased carotenoid content // Biotechnologia Acta. 2014. V. 7. N 4. P. 49–53. DOI: 10.15407/biotech7.04.049

24. Alakra F., Saygün A., Yeşilçubuk N.S. Biotechnological production of lipids and carotenoids from Rhodosporidium toruloides Y27012 // European Journal of Science and Technology. 2020. V. 19. P. 156–164. DOI: 10.31590/ejosat.708556.

25. Wu C.C., Ohashi T., Kajiura H., Sato Y., Misaki R., Honda K., Limtong S., Fujiyama K. Functional characterization and overexpression of Delta 12-desaturase in the oleaginous yeast Rhodotorula toruloides for production of linoleic acid-rich lipids // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2021. V. 131. N 6. P. 631–639. DOI: 10.1016/j.jbiosc.2021.02.002

26. Caporusso A., Capece A., De Bari I. Oleaginous Yeasts as Cell Factories for the Sustainable Production of Microbial Lipids by the Valorization of Agri-Food Wastes // Fermentation-Basel. 2021. V. 7. N 2. p. 50. DOI: 10.3390/fermentation7020050

27. Papaniklaou S., Aggelis G. Lipids of oleaginous yeasts. Part I: Biochemistry of single cell oil production // European Journal of Lipid Science and Technology. 2011. V. 113. N 8. P. 1031–1051. DOI: 10.1002/ejlt.201100014

28. Marova I., Carnecka M., Halienova A., Certik M., Dvorakova T., Haronikova A. Use of several waste substrates for carotenoid-rich yeast biomass production // Journal of Environmental Management. 2012. V. 95. P. 338–342. DOI: 10.1016/j.jenvman.2011.06.018

29. Гавриленко Д.В., Кощаев А.Г. Биотехнология получения комплексной кормовой добавки для птицы // Сборник научных трудов КНЦЗВ. 2019. Т. 8. N 3. С. 165–168. DOI: 10.34617/tdf5-y729

30. Abramova I.M., Soloviev A.O., Turshatov M.V., Krivchenko V.A., Kononenko V.V. Protein feedstuff production based on microbial biomass // IOP Conference Series-Earth and Environmental Science. 2020. V. 548. Article number: 082080. DOI: 10.1088/1755-1315/548/8/082080

31. Ng H.S., Kee P.E., Yim H.S., Chen P.-T., Wei Yu-H., Lan J.C.-W. Recent advances on the sustainable approaches for conversion and reutilization of food wastes to valuable bioproducts // Bioresource Technology. 2020. V. 302. Article number: 122889. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.122889

32. Usmani Z., Sharma M., Sudheer S., Gupta V.K., Rajeev Bhat. R. Engineered Microbes for Pigment Production Using Waste Biomass // Current Genomics. 2020. V. 21. N 2. P. 80–95. DOI: 10.2174/1389202921999200330152007

33. Kot A.M., Błażejak S., Kieliszek M., Gientka I., Bryś J., Reczek L., Pobiega K. Effect of exogenous stress factors on the biosynthesis of carotenoids and lipids by Rhodotorula yeast strains in media containing agro-industrial waste // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2019. V. 35. N 10. 157 p. DOI: 10.1007/s11274-019-2732-8

34. Kot A., Błażejak S. Production of lipids and carotenoids by Rhodotorula gracilis ATCC 10788 yeast in a bioreactor using low-cost wastes // Biocatalysis and agricultural biotechnology. 2020. V. 26. N 4. Article id: 101634. DOI: 10.1016/j.bcab.2020.101634

35. Bertacchi S., Pagliari S., Cantù C., Bruni I., Labra M., Branduardi P. Enzymatic Hydrolysate of Cinnamon Waste Material as Feedstock for the Microbial Production of Carotenoids // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. V. 18. N 3. Article id: 1146. DOI: 10.3390/ijerph18031146

36. Frengova G., Simova E., Beshkova D. Use of whey ultrafiltrate as a substrate for production of carotenoids by the yeast Rhodotorula rubra // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2004. V. 112. N 3. P. 133–141. DOI: 10.1385/abab:112:3:133

37. Qi F., Shen P., Hu R., Xue T., Jiang X., Qin L., Chen Y., Huang J. Carotenoids and lipid production from Rhodosporidium toruloides cultured in tea waste hydrolysate // Biotechnology for Biofuels. 2020. V. 13. N 74. DOI: 10.1186/s13068-020-01712-0

38. Schneider T., Graeff-Hönninger P.S. Lipid and carotenoid production by oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis cultivated on brewery effluents // Energy. 2013. V. 61. N 1. P. 34–43. DOI: 10.1016/j.energy.2012.12.026

39. Libkind D., van Broock M. Biomass and carotenoid pigment production by Patagonian native yeasts // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2006. V. 22. N 7. P. 687–692. DOI: 10.33448/rsd-v9i4.3057

40. Куликов Д.С., Koлпакова В.В., Уланова Р.В., Чумикина Л.В., Бессонов В.В. Биологическая переработка зерна гороха с получением пищевых и кормовых белковых концентратов // Биотехнология. 2020. Т. 36. N 4. С. 49–58. DOI: 10.21519/0234-2758-2020-36-4-49-58

41. Гольдштейн В.Г., Коваленок В.А., Кривцун Л.В. и др. Изучение параметров, влияющих на коагуляцию белка картофельного сока // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. N 5. С. 78–80. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10520

42. Семенов Г.В. Вакуумная сублимационная сушка. Москва: ДеЛи плюс, 2013. 264 с.

43. ГОСТ 10846-91. Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка. M.: Стандартинформ, 2009, 8 с.

44. ГОСТ 13586.5-93. Зерно. Метод определения влажности. M.: Стандартинформ, 2009. 6 с.

45. ГОСТ Зерно. Метод определения зольности. Стандартинформ, 2019. 20 с.

46. ГОСТ 29033-91. Зерно и продукты его переработки. Метод определения жира. Стандартинформ, 2004. 5 с.

47. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др. Пищевая химия: Лабораторный практикум. Пособие для вузов / под ред. А.П. Нечаева. СПб: ГИОРД, 2006, 304 с.

48. Dietary protein quality evaluation in human nutrition: Report of an FAO Expert Consultation, Rome: FAO, 2013. 66 p.

49. ISO 13903:2005. Корма, комбикорма. Метод определения содержания аминокислот. Стандарт информ, 2020. 20 с.

50. Ashikhmin A., Makhneva Z., Bolshakov M., Moskalenko A. Incorporation of spheroidene and spheroidenone into light-harvesting complexes from purple sulfur bacteria // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2017. V. 170. P. 99–107. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2017.03.020

51. Gall A., Henry S., Takaichi S., Robert B., Cogdell R.J. Preferential incorporation of coloured-carotenoids occurs in the LH2 complexes from non-sulphur purple bacteria under carotenoid-limiting conditions // Photosynthesis Research. 2005. V. 86. P. 25–35. DOI: 10.1007/s11120-005-3481-0

52. Черемных Е.Г., Кулешин А.В., Кулешина О.Н. Биотестирование пищевых добавок на инфузориях // Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2011. Т. 3. С. 5–12.

53. Latha B.V., Jeevaratnam K., Murali H.S., Manja K.S. Influence of growth factors on carotenoid pigmentation of Rhodotorula glutinis DFR-PDY from natural source // Indian Journal of Biotechnology. 2005. V. 4. P. 353–357.

54. Kot A.M., Błażejak S., Kurcz A., Gientka I., Kieliszek M. Rhodotorula glutinis –potential source of lipids, carotenoids, and enzymes for use in industries // Applied Microbiology and Biotechnology. 2016. V. 100. N 14. P. 6103–6117. DOI: 10.1007/S00253-016-7611-8

55. Goodwin T.W. Biosynthesis of carotenoids. The biochemistry of the carotenoids, vol. 1. Chapman and Hall / In: Goodwin TW (ed), 1980. P. 33–76. DOI: 10.1007/978-94-009-5860-9_2

56. Souza Filho P.F., Nair R.B., Andersson D., Lennartsson P.R., Taherzadeh M.J. Vegan-mycoprotein concentrate from pea-processing industry byproduct using edible filamentous fungi // Fungal Biology and Biotechnology. 2018. V. 2. N 5. pp. 5. DOI: 10.1186/s40694-018-0050-9

57. Zhang Z., Zhang X., Tan T. Lipid and carotenoid production by Rhodotorula glutinis under irradiation/high-temperature and dark/low-temperature cultivation // Bioresource Technology. 2014. V. 157. P. 149–153. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.01.039

58. Vijayalakshmi G., Shobha B., Vanajakshi V., Divakar S., Manohar B. Response surface methodology for optimization of growth parameters for the production of carotenoids by a mutant strain of Rhodotorula gracilis // European Food Research and Technology. 2001. V. 213. N 3. P. 234–239. DOI: 10.1007/s002170100356

59. Bhosale P., Gadre R.V. Manipulation of temperature and illumination conditions for enhanced beta-carotene production by mutant 32 of Rhodotorula glutinis // Letters in Applied Microbiology. 2002. V. 34. N 5. P. 349–353. DOI: 10.1046/j.1472-765x.2002.01095.x

60. Cescut J., Fillaudeau L., Molina-Jouve C., Uribelarrea J.-L. Carbon accumulation in Rhodotorula glutinis induced by nitrogen limitation // Biotechnology for Biofuels. 2014. V. 7. pp. 164. DOI: 10.1186/s13068-014-0164-0

61. Wiebe M.G., Koivuranta K., Penttila M., Ruohonen L. Lipid production in batch and fed-batch cultures of Rhodosporidium toruloides from 5 and 6 carbon carbohydrates // BMC Biotechnology. 2012. V. 12. N 1. pp. 26. DOI: 10.1186/1472-6750-12-26

62. Yaegashi J., Kirby J., Ito M., Sun J., Dutta T., Mirsiaghi M., Sundstrom E.R., Rodriguez A., Baidoo E., Tanjore D., Pray T. Rhodosporidium toruloides: a new platform organism for conversion of lignocellulose into terpene biofuels and bioproducts // Biotechnology for Biofuels. 2017. V. 10. N 1. pp. 241. DOI: 10.1186/s13068-017-0927-5

63. Tkachenko А., Tigunova Е., Schulga S. Microbial lipids are an alternative raw material for biofuel // Microbiology and Biotechnology. 2012. V. 3. P. 17–33. DOI: 10.18524/2307-4663.2012.3(19).92616

64. Szotkowski M., Byrtusova D., Haronikova A., Vysoka M., Rape M., Shapaval V., Marova I. Study of Metabolic Adaptation of Red Yeasts to Waste Animal Fat Substrate // Microorganisms. 2019. V. 7. N 11. pp. 578. DOI: 10.3390/microorganisms7110578

65. Zhao X., Hu C., Wu S., Shen H., Zhao Z. Lipid production by Rhodosporidium toruloides Y4 using different substrate feeding strategies // Journal of industrial microbiology and biotechnology. 2011. V. 38. P. 627–632. DOI: 10.1007/s10295-010-0808-4

66. Li Y., Zhao Z. (Kent), Bai F., High-density cultivation of oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides Y4 in fed-batch culture // Enzyme and Microbial Technology. 2007. V. 41. P. 312–317. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2007.02.008

67. Червякова О.П. Получение микробной биомассы, обогащенной каротиноидами // Успехи в химии и химической технологии. 2010. Т. 24. N 11(116). С. 51–53.

68. Simpson K.O., Nakayama T.S., Chichester S.O. Biosynthesis of yeast carotenoids // Journal of Bacteriology. 1964. V. 88. N 6. P. 1688–1694.

69. Демиденко Г.А., Шуранов В.В. Оценка токсичности кормов с использованием инфузорий Paramecium caudatum // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. С. 5–11.

70. Серегина О.Б., Леонидов Н.Б. Простейшие как альтернативный биологический тест-объект в фармации // Фармация. 2003. Т. 4. С. 43–45.