Biotecnología

 

Effect of initial substrate concentration and agitation on xylitol production by fermentation of hydrolyzed tamarind seed media with Kluyveromyces marxianus

 

Efecto de la concentración inicial de sustrato y agitación sobre la producción de xilitol por fermentación de medio hidrolizado de semilla de tamarindo con Kluyveromyces marxianus

 

R. Martínez-Corona^1,2, J.C. González-Hernández²*, V. Radames-Trejo³, C. Cortés-Penagos¹, M.C. Chávez-Parga⁴, M.A. Zamudio-Jaramillo²

 

¹ Facultad de Químico Farmacobiología de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

² Laboratorio de Bioquímica del Departamento de Ing. Química y Bioquímica del Instituto Tecnológico de Morelia, Av. Tecnológico # 1500, Colonia Lomas de Santiaguito, C. P. 58120, Morelia, Michoacán, México. *Corresponding author. E-mail: jcgh1974@yahoo.com, Tel. (+52-433) 3121570. Ext. 231., Fax (+52-433) 3121570. Ext. 211.

³ Tecnológico Nacional de México. Arcos de Belén # 79, Delegation Cuauhtemoc, C.P. 06010, Mexico, D.F.

⁴ Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

 

Received July 27, 2014
Accepted April 21, 2015

 

Abstract

Tamarind seed consists of 50 to 72 % of a branched heteropolysaccharide, called xyloglucan. By fragmenting xyloglucan with a coupled process of acid hydrolysis and thermal treatment, it is possible to obtain considerable amounts of fermentable sugars, glucose and xylose being the most abundant Xylose is the precursor of xylitol, a sugar with similar characteristics to sucrose. Chemical synthesis of xylitol is very expensive and of low-yield. On the other hand, xylitol can be obtained by fermentation, using yeasts that incorporate xylose in their metabolism, such as Kluyveromyces marxianus. Being a biological process, xylitol production by fermentation depends on different environmental factors. In this paper, the effect of two factors on xylitol production was evaluated based on a 3² factorial experimental design: initial substrate concentration (20-80 g/L) and agitation (120-240 rpm). Both factors considerably influenced xylitol production of K. marxianus, where the optimization of the experimental design predicted a yield of 0.57 g of xylitol/g of xylose, with an initial substrate concentration of 50 g/L and an agitation of 177 rpm, from a source substrate of which there are no reports of its use in this field, such as tamarind seed.

Key words: xylose, fermentation, xylitol, initial substrate concentration, agitation.

 

Resumen

La semilla de tamarindo esta compuesta en un 50 a 72 % por un heteropolisacárido ramificado, llamado xiloglucano. Mediante su fragmentación con un proceso acoplado de hidrólisis ácida y tratamiento térmico, es posible obtener cantidades considerables de azúcares fermentables, siendo la glucosa y la xilosa los más abundantes. La xilosa es el precursor del xilitol, un azúcar con características similares a la sacarosa. La síntesis química del xilitol es costosa y de bajo rendimiento. Por otro lado, se puede obtener xilitol por fermentación usando levaduras que incorporan la xilosa a su metabolismo, como Kluyveromyces marxianus. Al ser un proceso biológico, la producción de xilitol depende de diferentes factores ambientales; en este estudio, se evaluó el efecto de dos factores usando un diseño experimental factorial 3²: concentración inicial de sustrato (20-80 g/L) y agitación (120-240 rpm). Ambos factores tuvieron un impacto considerable sobre la producción de xilitol de K. marxianus, donde la optimización del diseño experimental predijo un rendimiento de 0.57 g de xilitol/g de xilosa, a una concentración inicial de sustrato de 50 g/L y agitación de 177 rpm, usando una fuente de sustrato que no ha sido reportada: la semilla de tamarindo.

Palabras clave: xilosa, fermentación, xilitol, concentración inicial de sustrato, agitación.

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Acknowledgments

We wish to thank CONACYT-CIENCIA BÁSICA (CB-2012-01., No.176199), PROMEP, IDCA 10761 (2012) for their partial financial support and the "Programa Institucional de Maestría en Ciencias Biologicas" (PIMCB) of the "Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo" through CONACYT Scholarship (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología) with registration number 388230 (Ricardo Martínez Corona).

 

References

Ahmed, Z. (2001). Production of natural and rare pentoses using microorganisms and their enzymes. Electronic Journal Biotechnology 4, 1-9.         [ Links ]

Bahador, A., Lesan, S. and Kashi, N. (2012). Effect of xylitol on cariogenic and beneficial oral Streptococci: a randomized, double-blind crossover trial. Iranian Journal of Microbiology 4, 75-81.         [ Links ]

Diaz, J., Cruz, J.M., Domínguez H. and Parajo, J.C. (2002). Xylitol production from eucalyptus wood hydrolysates in low-cost fermentation media. Food Technology and Biotechnology 40, 191-197.         [ Links ]

El-Siddig, K., Gunasena, H.P.M., Prasad, B.A., Pushpakumara, D.K.N.G., Ramana, K.V.R., Vijayanand, P. and and Williams, J.T. (2006). Tamarind Tamarindus indica. L. Southampton Centre for Underutilised Crops, Southampton, UK.         [ Links ]

Fernández, T., Martin, C., Marcet, M. and Thomsen, A.B. (2007). Fermentabilidad de prehidrolizados de residuos lignocelulósicos para la producción de etanol. Valoración de Residuos, Ingeniería Química 455, 190-197.         [ Links ]

Gancedo, J.M. (2008). The early steps of glucose signalling in yeast. FEMS Microbiology Reviews 32, 673-704.         [ Links ]

Ghindea, R., Csutak, O., Stoica, I., Tanase, A.M. and Vassu, T. (2010). Production of xylitol by yeasts. Romanian Biotechnology Letters 15, 5217-5222.         [ Links ]

González-Hernández, J.C., Farías, R.L., Vera, V.J.C., Martínez, C.R., Alvarez-Navarrete, M., Zamudio, J.M.A., Chávez, P.M.C. and Peña, A (2012). Chemical hydrolysis of the polysaccharides of the tamarind seed. Journal of the Mexican Chemical Society 56, 395-401.         [ Links ]

Granström, T. (2002). Biotechnological production of xylitol with Candida yeasts. Helsinki University of Technology, Department of Chemical Technology. Technical Report 2.         [ Links ]

Kaur, G., Nagpal, A. and Kaur, B. (2006). Tamarind. Science Tech Entrepreneur.         [ Links ]

Kiyoshi, T., Jun-Ichi, H., Tohru, K. and Masayoshi, K. (2004). Microbial xylitol production from corn cobs using Candida magnoliae. Journal of Bioscience and Bioengineering 98, 228-230.         [ Links ]

Kumar, C.S. and Bhattacharya, S. (2008). Tamarind seed: properties, processing and utilization. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 48, 1-20.         [ Links ]

Martínez, A., Rodríguez, M.E., York, S.W., Preston, J.F. and Ingram, L.O. (2000). Use of UV absorbance to monitor furans in dilute acid hydrolysates of biomass. Biotechnology Progress 16, 637-641.         [ Links ]

Martínez, E.A., Villarreal, L.M., Almeida e, S.J.B., Solenzal, A.I.N., Canilha, L. and Mussatto, S.I. (2002). Uso de las diferentes materias primas para la produccioín biotecnoloígica de xilitol. Ciencia y Tecnología Alimentaria 3, 295-301.         [ Links ]

Mushtaq, Z., Salim-ur-Rehman, Zahoor, T. and Jamil, A. (2010). Impact of xylitol replacement on physicochemical sensory and microbial quality of cookies. Pakistan Journal of Nutrition 9, 605-610.         [ Links ]

Nápoles, A.I.S., Ortiz, Y.A., Viñals, M.V., Manganelly, E.S. and Acosta, E.M. (2006). Purificación de hidrolizado de bagazo de caña de azúcar con carbón activado y resinas de intercambio iónico. Ciencia y Tecnología Alimentaria 5, 124-128.         [ Links ]

Palmqvist, E. and Hahn-Hagerdal, B. (2000). Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. II: Inhibitors and mechanisms of inhibition. Bioresource Technology 74, 25-33.         [ Links ]

Pérez, E., González-Hernández, J.C., Chávez-Parga, Ma. del C. and Cortés Penagos, C. (2013). Fermentative characterization of producers ethanol yeast from Agave cupreata juice in mezcal elaboration. Revista Mexicana de Ingeniería Química 12, 451-461.         [ Links ]

Roberto, I.C., de Mancilha, I.M. and Sato, S. (1999). Influence of kLa on bioconversion of rice straw hemicellulose hydrolysate to xylitol. Bioprocess Engineering 21, 505-508.         [ Links ]

Santagelo, G.M. (2006). Glucose signaling in Saccharomyces cerevisiae. Microbiology and Molecular Biology Reviews 70, 253-282.         [ Links ]

Santos, J.C., Carvalho, W., Silva, S.S. and Converti, A. (2003). Xylitol production from sugarcane bagasse hydrolyzate in fluidized bed reactor. Effect of air flowrate. Biotechnology Progress 19, 1210-1215.         [ Links ]

Silva, C.J.S.M. and Roberto, I.C. (2001) Improvement of xylitol production by Candida guilliermondii FTI 20037 previously adapted to rice straw hemicellulosic hydrolysate. Letters in Applied Microbiology 32, 248-252.         [ Links ]

Solange, I.M. and Ines, C.R. (2005). Acid hydrolysis and fermentation of brewerís spent grain to produce xylitol. Journal ofthe Science Food and Agriculture 85, 2453-2460.         [ Links ]

Srivani, K. and Pydi, S.Y. (2011). Effect of yeast extracts concentration on microbial production of xylitol. International Journal of Biotechnology Applications 3, 110-113.         [ Links ]

Vanegas, I.A., Yepes, M.S. and Ruiz, O.S. (2004). Producción de xilitol a partir de levaduras nativas colombianas. Revista Colombiana de Biotecnología 6, 31-36.         [ Links ]

Villalba, C.M., Veílez, U.T., Arias, Z.M. and Arraízola, P.G. (2009). Produccioín de xilitol a partir de cascarilla de arroz utilizando Candida guilliermondii. Revista Facultad Nacional de Agronomía, Medellín 62,4897-4905.         [ Links ]

Viñals, V.M., Maciel de, M.I., Batista de, A. e S.J. and Naípoles, S.A.I. (2006). Meítodos de purification de hidrolizados de bagazo de caña de azucar para la obtencion de xilitol. Ciencia y Tecnología Alimentaria 5, 129-134.         [ Links ]

Wannawilai, S., Sirisansaneeyakul, S., Vanichsriratana, W. and Prakulsuksatid, P. (2007). Optimization for the production of xylitol using Candida magnoliae TISTR 5663. TSB: A Solution to the Global Economic Crisis.         [ Links ]