Παραγωγή μελανίνης από μαύρες ζύμες - Τόλια, Ειρήνη (2024)
Η μελανίνη είναι μια από τις πιο σημαντικές φυσικές χρωστικές που παράγονται από διάφορους οργανισμούς, από μικρόβια μέχρι φυτά και θηλαστικά. Οι μελανίνες διαθέτουν εξαιρετικές ιδιότητες όπως ραδιοπροστατευτική και αντιοξειδωτική δράση, χηλοποίηση βαρέων μετάλλων και απορρόφηση οργανικών ενώσεων. Η βιοσύνθεση της μελανίνης μέσω της μεταβολικής οδού DOPA και/ή της οδού DHN περιλαμβάνει κυρίως τα ένζυμα τυροσινάση και λακκάση που καταλύουν την οξείδωση των φαινολικών και ινδολικών υποστρωμάτων για να σχηματίσουν κατηγορίες μελανίνης, δηλαδή ευμελανίνη, φαιομελανίνη, αλλομελανίνες και πυομελανίνη. Η οικονομικά αποδοτική παραγωγή μελανίνης σε μεγάλη κλίμακα, με χημικά καθορισμένη σύνθεση, αποτελεί μια σημαντική τεχνική πρόκληση. Η στρατηγική αξιοποίησης χαμηλού κόστους και άφθονων ροών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων και υποπροϊόντων για την παραγωγή της μικροβιακής μελανίνης συνάδει με τις έννοιες της βιώσιμης ανάπτυξης και της κυκλικής οικονομίας, εξαλείφοντας έτσι το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Στην παρούσα εργασία αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής μελανίνης μέσω ζύμωσης χρησιμοποιώντας ως θρεπτικό υπόστρωμα διάφορες εμπορικές πηγές άνθρακα (γλυκόζη, φρουκτόζη, γαλακτόζη, γλυκερόλη μαλτόζη), καθώς και εκχύλισμα από υπολείμματα φλούδας πορτοκαλιού τα οποία αποτελούν απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν ασυνεχείς ζυμώσεις υγρής καλλιέργειας με το στέλεχος Exophiala phaeomuriformis EXF- 6108. Οι ασυνεχείς ζυμώσεις πραγματοποιήθηκαν σε ανακινούμενες κωνικές φιάλες. Η φρουκτόζη και η γλυκερόλη έδειξαν τα καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά την παραγωγή εξωκυτταρικής μελανίνης με αντίστοιχες τιμές 448,7 mg/L και 461,4 mg/L ενώ η χρήση της γλυκόζης έδωσε επίσης ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στην περίπτωση που εξετάστηκε η παραγωγή της ενδοκυτταρικής μελανίνης, η γλυκόζη ήταν το πιο αποδοτικό υπόστρωμα (190,4 mg/L), ακολουθούμενο από την γλυκερόλη και την φρουκτόζη. Η κατανάλωση της πηγής άνθρακα στις προαναφερθέντες περιπτώσεις προσδιορίστηκε πάνω από 95% ενώ ικανοποιητική ήταν και η κατανάλωση αζώτου ελεύθερων αμινοομάδων (54-70,0%). Η μαλτόζη ήταν η πιο αποδοτική πηγή άνθρακα ως προς την παραγωγή εξωπολυσακχαριτών (6,1 g/L) ενώ όταν το θρεπτικό υπόστρωμα της ζύμωσης ήταν γλυκόζη, φρουκτόζη και γλυκερόλη η παραγωγή εξωπολυσακχαριτών κυμάνθηκε μεταξύ 4,0-4,9 g/L. Εν συνεχεία πραγματοποιήθηκαν πειράματα με την χρήσης εκχυλίσματος από υπολείμματα φλούδας πορτοκαλιού ως πηγή άνθρακα, για την παραγωγή μελανίνης σε κωνικές φιάλες καθώς επίσης και σε βιοαντιδραστήρα. Η μέγιστη συγκέντρωση εξωκυτταρικής μελανίνης που επιτεύχθηκε στις κωνικές φιάλες ανήλθε σε 1067 mg/L ενώ η μέγιστη συγκέντρωση της ενδοκυτταρικής μελανίνης ήταν 385,6 mg/L μετά από 120 και 144 ώρες ζύμωσης αντίστοιχα. Στην περίπτωση που η ζύμωση πραγματοποιήθηκε σε βιοαντιδραστήρα η μέγιστη συγκέντρωση εξωκυτταρικής μελανίνης ήταν 1221,2 mg/L ενώ η μέγιστη συγκέντρωση της ενδοκυτταρικής μελανίνης ήταν 123,5 mg/L μετά από 192 ώρες ζύμωσης. H παραγωγή εξωπολυσακχαριτών (5,9 g/L) ευνοήθηκε στα πειράματα που έλαβαν χώρα σε βιοαντιδραστήρα συγκριτικά με τις κωνικές φιάλες (2,2 g/L). Σε τελικό στάδιο, η εξωκυτταρική μελανίνης ανακτήθηκε μέσω δύο διαφορετικών μεθόδων. Η μία μέθοδος αποτελεί την υδρόλυση με τη χρήση HCl για την αποδέσμευση της μελανίνης από τους εξωπολυσακχαρίτες, ενώ η δεύτερη στρατηγική περιλαμβάνει την διαλυτοποίηση της μελανίνης με χρήση ΝαΟΗ και την κατακρήμνιση της με την εφαρμογή όξινων συνθηκών. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν ως προς τη την απορρόφηση και εκπομπή υπερύθρου φάσματος (FT-IR) και το μέγεθος των σωματιδίων (δυναμική σκέδαση φωτός-DLS). Τα φάσματα FT-IR των δειγμάτων μελανίνης υπέδειξαν την παρουσία χαρακτηριστικών ζωνών μελανίνης αλλά και εξωπολυσακχαριτών σε πολύ μικρή ένταση. Όλοι οι τύποι των μελανινών που εξετάστηκαν έδειξαν υδροδυναμική ακτίνα μεταξύ 76-285,3 nm, ενώ το δείγμα των εξωπολυσακχαριτών έδειξε πολυδιασπορά (88,8 nm και 1070,5 nm). Απαραίτητη κρίνεται η περαιτέρω μελέτη βελτιστοποίησης των ζυμώσεων προς παραγωγή μικροβιακής μελανίνης με σκοπό την αύξηση της παραγωγικότητας του πολυμερούς. Επιπλέον, μελλοντική έρευνα θα επικεντρωθεί στη μελέτη διαφορετικών συνθηκών απομόνωσης της μελανίνης με τη χρήση διαφορετικών μεθοδολογιών με στόχευση σε συγκεκριμένες εφαρμογές.