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.

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.

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.

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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).

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