Rhamnolipid and lipase production by Pseudomonas aeruginosa san-ai: The process comparison analysis by statistical approach

Abstract

Pseudomonas aeruginosa has been repeatedly reported as a powerful producer of rhamnolipid biosurfactants as well as hydrolytic enzymes. In this study, the effects of four fermentation factors were evaluated using response surface methodology and experiments were performed in accordance with a four-factor and five-level central composite experimental design. The investigated factors were: fermentation temperature, time of fermentation, concentration of sunflower oil and concentration of Tween® 80. The most important finding was that regression coefficients of the highest values were those that describe interactions between factors and that they differ for lipase and rhamnolipid production, which were both investigated in this study. Production of both metabolites was optimized and response equations were obtained, making it possible to predict rhamnolipid concentration or lipase activity from known values of the four factors. The highest achieved rhamnolipid concentration and lipase activity were 138 mg dm-3 (sunflower oil concentration: 0.8%, Tween® 80 concentration: 0.05%, temperature: 30 °C and fermentation time: 72 h) and 11111 IU dm-3 (sunflower concentration: of 0.4%, Tween® 80 concentration: 0.05%, temperature: 30 °C and fermentation time: 120 h), respectively.

Pseudomonas aeruginosa san-ai, izolovan je iz izrazito alkalne emulzije koja je korišćena kao mazivo u industriji pri obradi metala. Sposobnost da preživi u visoko alkalnoj sredini (pH 10) učinila je ovaj mikroorganizam veoma interesantnim za istraživanje, budući da je za preživljavanje u tako ekstremnim uslovima neophodno da mikroorganizam proizvodi enzime specifičnih karakteristika. Prethodna istraživanja su pokazala da ovaj ekstremofilni mikroorganizam ekstracelularno produkuje hidrolitičke enzime, koji zbog izuzetno atraktivnih karakteristika imaju potencijal za primenu u nizu biotehnoloških postupaka. Ipak, iako je pokazano da ovaj atraktivni soj produkuje industrijski veoma interesantne biomolekule (proteaze i lipaze), produkcija ramnolipida, jedinjenja čija oblast primene svakodnevno raste, pomoću ovog soja je malo ispitana. Ramnolipidi su amfifilna jedinjenja, koja se sastoje iz hidrofilne šećerne komponente i hidrofobne komponente koju čine β-hidroksi masne kiseline. Spadaju u grupu mikrobioloških surfaktanata ili biosurfaktanata, koji bi trebalo u budućnosti da se koriste kao zamena za sintetičke surfaktante koji nisu biodegradabilni i kao takvi predstavljaju opasnost za životnu sredinu. Sve veće interesovanje za industrijsku primenu ramnolipida, dovelo je do potrebe za optimizacijom njihove proizvodnje. Cilj ovog rada bila je optimizacija produkcije ramnolipida kao i lipaze pomoću Pseudomonas aeruginosa san-ai. Ispitan je uticaj četri fermentaciona faktora: koncentracije suncokretovog ulja u intervalu: 0,2-1,0 % (w/v), Tween® 80 u intervalu: 0-0,2 % (v/v), temperature: 20­60 °C i vremena trajanja fermentacije: 48-144 h. Uticaj fermentacionih faktora na prinos navedenih metabolita ispitan je pomoću centralnog kompozitnog rotatabilnog eksperimentalnog plana, na pet nivoa vrednosti ispitivanih faktora. Analizom dobijenih regresionih koeficijenata ustanovljeno je da su vrlo izražena interaktivna dejstva nekoliko parova faktora. Kod produkcije ramnolipida, najveća je vrednost koeficijenta koji opisuje negativnu interakciju između koncentracije suncokretovog ulja i temperature, a kao bitne pokazale su se i pozitivna interakcija između koncentracije Tween® 80 i temperature, kao i negativna interakcija između koncentracija suncokretovog ulja i Tween® 80. Interesantno je da su se kod produkcije lipaze kao značajni faktori pokazali samo temperatura i vreme fermentacije. Najveći prinos ramnolipida, 138 mg dm-3, postignut je pri niskoj koncentraciji Tween® 80 (0,05 %) i visokoj koncentraciji ulja (0,8 %) na 30 °C posle 72 h, dok je najveća lipolitička aktivnost, 11111 IU dm-3, ostvarena pri istoj koncentraciji Tween® 80 (0,05 %) i istoj temperaturi od 30 °C, nešto nižoj koncentraciji suncokretovog ulja (0,4 %) i dužem vremenu fermentacije od 120 h.