بهینه‌سازی تولید بیووانیلین از سلول‌های در حال استراحت سویه بومی Psychrobacter sp.CSW4 به روش آماری تاگوچی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

چکیده

در سال‌های اخیر استفاده از فرایندهای زیست تبدیلی میکروبی برای دستیابی به وانیلین با خواص ویژه و با منشأ طبیعی مورد توجه قرار گرفته است.هدف از پژوهش اخیر، بهینه‌سازی فرآیند زیست تبدیلی ایزواوژنول به وانیلین تحت شرایط سلول‌های در حال استراحت سویه‌ی بومی Psychrobacter sp.CSW4 با استفاده از روش آماری تاگوچی بود.متغیرهایی که در فرایند زیست تبدیلی ایزواوژنول به وانیلین در نظر گرفته شده‌اند، عبارت‌اند از:غلظت‌ اولیه‌ی ایزواوژنول، غلظت اولیه‌ی بیومس سلولی، سوبستراهای کمکی (گلیسرول، عصاره مخمر و تریپتون)، غلظت اولیه‌ی نمک سدیم کلراید و یون‌های فلزی(مس، روی و کبالت).برای موارد متغیر مذکور، آرایه‌ی متعامد مناسب L18 طراحی شد.وانیلین تهیه شده از ایزواوژنول در مخلوط واکنش زیست تبدیلی با استفاده از روش HPLC تخمین زده شد.بهینه‌سازی فرایند زیست تبدیلی به وسیله‌ی روش تاگوچی نشان داد که عوامل با تأثیر معناداری بر بیوترانسفورماسیون ایزواوژنول به وانیلین با میزان اهمیت (به ترتیب) غلظت‌ اولیه‌ی نمک سدیم کلراید، غلظت اولیه‌ی ایزواوژنول، سوبسترای کمکی گلیسرول، یون فلزی کبالت و غلظت اولیه بیومس سلولی بودند.تحت شرایط بهینه در سطوح انتخاب شده‌ی این فاکتورها، ماکزیمم غلظت وانیلین 016/1 گرم در لیتر(با راندمان مولی 8/43 درصد) پس از 24 ساعت واکنش زیست تبدیلی تخمین زده شد.بر اساس یافته‌های حاصل از این پژوهش، چنانچه بهینه‌سازی ترکیبات محیط کشت برای بالانس نمودن رشد سلولی و میزان تولید وانیلین انجام گیرد، می‌توان به راندمان‌های پذیرفتنی بدون استفاده از مواد سمی غیرمجاز و یا اضافه نمودن موادی که مستلزم صرف هزینه‌های بالای اقتصادی هستند، دست یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimization of Bio-Vanillin with Native Isolated Psychrobacter sp. Strain CSW4 Using the Taguchi Method under Resting Cells

نویسندگان [English]

  • Marahem Ashengarf
  • Eraj Nahvi
  • Jahanshir Amini

چکیده [English]

In the recent years, the use of microbial biotransformation processes to achieve specific properties of vanillin and access to the natural vanillin origin has been a lot of attention. In the present study, Taguchi method was employed for optimizing the biotransformation of isoeugenol to vanillin under resting cells of native isolate Psychrobacter sp. strain CSW4. Five factors, i.e. initial isoeugenol concentration, initial dry biomass, co-substrates (glycerol, yeast extract and tryptone), initial NaCl concentration and metal ions (Cu, Zn and Co, were selected and experiments based on an orthogonal array layout of L18 were performed. Vanillin produced in the biotransformation reaction mixture was analyzed by HPLC method. Optimization of the process by Taguchi method showed that highest impact factors with importance priority of NaCl concentration, initial isoeugenol concentration, glycerol as substrate, cobalt ion and initial dry biomass were determined as optimum conditions for the biotransformation isoeugenol into vanillin, respectively. Under these optimized conditions, the highest vanillin concentration (1.016 g/L) obtained after 24-h reaction biotransformation. The molar yield of vanillin produced from isoeugenol was 43.8 %. Results of this study indicate that if optimization of medium composition is performed to balance the cell growth and vanillin amount, reasonable yields of vanillin have been achieved, without addition of any toxic organic solvent or other chemicals which increase the cost of production.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Isoeugenol
  • Taguchi method
  • Microbial bioconversion
  • Vanillin
  • Psychrobacter sp. CSW4
Abraham, W.R., Arfmann, H.A., Stumpf, B., Washausen, P. and Kieslich, K. (1988) Microbial transformations of some terpenoids and natural compounds. In: P. Schreier, Editor, Bioflavour’ 87, Analysis, Biochemistry, Biotechnology, Proc. Int. Conf. Walter de Gruyter, Berlin Pp 399–414.

 

 

Ashengroph, M., Nahvi, I., Zarkesh- Esfahani, H. and Momenbeik, F. (2011) Candida galli Strain PGO6: a novel isolated yeast strain capable of transformation of isoeugenol into vanillin and vanillic acid. Current Microbiology 62: 990-998.

Ashengroph, M., Nahvi, I., Zarkesh- Esfahani, H. and Momenbeik, F. (2011) Use of growing cells of Pseudomonas aeruginosa for synthesis of the natural vanillin via conversion of isoeugenol. Iranian Journal of Pharmaceutical Research 10 (4): 749-757.

Ashengroph, M., Nahvi, I., Zarkesh-Esfahani, H. and Momenbeik, F. (2012) Conversion of isoeugenol to vanillin by Psychrobacter sp. Strain CSW4. Applied Biochemistry and Biotechnology 166: 1-12.

Burri, J., Graf, M., Lambelet, P. and Loliger J.  (1989) Vanillin: more than a flavouring agent—a potent antioxidant. Journal of the Science of Food and Agriculture 48: 49– 56.

Chatterjee, T., De, B.K. and Bhattacharyya, D.K. (1999) Microbial conversion of isoeugenol to vanillin by Rhodococcus rhodochrous. Indian Journal of Chemistry 38: 538–541.

Fitzgerald, D.J., Stratfordb, M. and Narbada, A. (2003) Analysis of the inhibition of food spoilage yeasts by vanillin. International Journal of Food Microbiology 86: 113–122.

Han, J.J., Yang, T.H. and Rhee, J.S. (1998) Optimization of reaction variables for sucrose monoester production using lipase in a solvent free system by Taguchi’s method. Biotechnology Techniques 12: 295–299. 

Kasana, R.C., Sharma, U.K., Sharma, N. and Sinha, A.K. (2007) Isolation and identification of a novel strain of Pseudomonas chlororaphis capable of transforming isoeugenol to vanillin. Current Microbiology 54: 457-461.

Krings, U. and Berger, R.G. (1998) Biotechnological production of flavors and fragrances. Applied Microbiology and Biotechnology 49: 1–8.

Matamoros-Leon, B., Argaiz, A. and Lo´pez-Malo, A. (1999) Individual and combined effects of vanillin and potassium sorbate on Penicillium digitatum, Penicillium glabrum, and Penicillium italicum growth. Journal of Food Protection 62: 540–542.

Mohapatra, P.K.D., Maity, C., Rao, R.S., Pati, B.R. and Mondal, K.C. (2009) Tannase production by Bacillus licheniformis KBR6: optimization of submerged culture conditions by Taguchi DOE methodology. Food Research International 42: 430 – 435. 

Overhage, J., Priefert, H., Rabenhorst, J. and Steinbuchel, A. (1999) Biotransformation of by disruption of the vanillin dehydrogenase (vdh) gene.  Applied Microbiology and Biotech-nology 52: 820–828

Priefert, H., Rabenhorst, J. and Steinbuchel, A. (2001) Biotechnological production of vanillin. Applied Microbiology and Biotechnology 56: 296-314.

Rabenhorst, J. and Hopp, R. (1991) Process for the preparation of vanillin. US Patent 5017388.

Rao, R.S., Kumar, G.C., Prakasham, S.R. and Hobbs, P.J. (2008) The Taguchi methodology as a statistical tool for biotechnological applications: a critical appraisal. Biotechnology Journal 3: 510–523.

Seshadri, R., Lamm, A.S., Khare, A. and Rosazza, J.P.N. (2008) Oxidation of isoeugenol by Nocardia iowensis. Enzyme and Microbial Technology 43: 486–494.

Shimoni, E., Ravid, U. and Shoham, Y. (2000) Isolation of a Bacillus sp. capable of transforming isoeugenol to vanillin. Journal of Biotechnology 78: 1–9.

Venkata, D. V., Panda, T. and Chidambaram, M. (2003) Determination of significant parameters for improved griseofulvin production in a batch bioreactor by Taguchi’s method.  Process Biochemistry 38: 877– 880.

Xu, P., Hua, D. and Ma, C. (2007) Microbial transformation of propenylbenzenes for natural flavor production. Trends Biotechnology 25: 571-576.  

Yamada, M., Okada, Y., Yoshida, T. and Nagasawa, T. (2007) Biotransformation of isoeugenol to vanillin by Pseudomonas putida IE27 cells. Applied Microbiology and Biotechnology 73: 1025 – 1030.

Zhao, L.Q., Sun, Z.H., Zheng, P. and He, J. Y. (2006) Biotransformation of isoeugenol to of resin H D-8. Process Biochemistry 41: 1673–1676.

Zhao, L.Q., Sun, Z.H., Zheng, P. and Zhu, L.L. (2005) Biotransformation of isoeugenol to vanillin by a novel strain of Bacillus fusiformis. Biotechnology Letters 27: 1505–1509.