Biotechnological approach for waste cooking oils valorization based on yeast Yarrowia lipolytica

Abstract

Daily, huge quantities of waste cooking oils (WCO) are produced worldwide. These residues rich in lipids can be used as substrate in several biotechnological processes, such as those based in Yarrowia lipolytica cultures. This yeast species has the special ability to degrade lipid-rich substrates while producing value-added metabolites, such as lipase and microbial lipids of interesting TAGs composition. The effective use of WCO by Y. lipolytica depends on the WCO concentration, the presence of surfactants and pH, among other parameters, thus its optimization is crucial for the development of an industrial process of WCO valorization. Initially, it was intended to study the effect of medium composition (pH, WCO concentration and arabic gum concentration) on lipase and microbial lipids production in experiments carried out in Erlenmeyer flasks using an experimental design based on Taguchi method. The initial pH value of the production medium was the most influential parameter on production of lipase and microbial lipids. The increase of pH value from 5.6 to 7.2 improved lipase production by Y. lipolytica, since lipase activity was 4-fold higher at pH value of 7.2. By contrast, highest microbial lipids accumulation was attained in the experiments performed at pH 5.6. The remaining parameters did not show any influence on lipase production; however, it was observed that gum arabic concentration was an important parameter for the production of microbial lipids by Y. lipolytica W29. The interaction between the parameters WCO concentration and arabic gum concentration was the interaction with most influence on both production of lipase and microbial lipids by yeast. Taguchi also established optimum conditions for the production of lipase and microbial lipids (pH 7.2, WCO 10 g·L-1 and pH 5.6, WCO 30 g·L-1 and arabic gum 5 g·L-1 for lipase and microbial lipids production, respectively). In both cases, the experimental results obtained in the optimum conditions were identical to the expected values. The influence of oxygen mass transfer on lipase and microbial lipids production by Y. lipolytica W29 was also studied. Increasing kLa from 9 h-1 to 93 h-1 improved cell growth as well as protease production. By contrast, values of kLa above 16 h-1 led to a decrease in lipase production. The accumulation of microbial lipids by yeast was also favored at lower kLa values. The fatty acids composition of microbial lipids accumulated by Y. lipolytica cells was mainly linoleic (≥60 %) and oleic (≥30 %) acids, demonstrating the potential of these lipids to be used as food supplements.

Diariamente, são produzidas grandes quantidades de óleos alimentares usados (OAU) em todo mundo. Estes resíduos, ricos em lípidos, podem ser utilizados como substrato em vários processos biotecnológicos e a levedura Yarrowia lipolytica é capaz de degradar compostos ricos em lípidos enquanto produz metabolitos de valor acrescentado, como lipase e lípidos microbianos. A concentração da fonte de carbono, a presença de surfactantes bem como o pH do meio são parâmetros que podem influenciar produção de lipase e lípidos microbianos por Y. lipolytica. A otimização destes parâmetros é essencial para uma máxima produção de lipase e lípidos microbianos. Inicialmente, foi aplicado um desenho experimental baseado no método de Taguchi e estudou-se o efeito dos parâmetros pH, concentração de WCO e de goma arábica na produção de lipase e lípidos microbianos por Y. lipolytica em experiências realizadas em frascos de Erlenmeyer. O valor de pH inicial do meio de produção foi o parâmetro com maior influência na produção de lipase e lípidos microbianos. O aumento do pH favoreceu a produção de lipase, uma vez que 4 vezes mais atividade lipolítica foi observada a pH 7.2. Pelo contrário, uma maior acumulação de lípidos foi conseguida nos meios de produção a pH 5.6. Os restantes parâmetros não demonstraram qualquer influência na produção de lipase; contudo, observou-se que a concentração de goma arábica foi um parâmetro importante para a produção de lípidos microbianos por Y. lipolytica W29. A interação entre os parâmetros concentração de OAU e concentração de goma arábica foi a interação com maior influência na produção de lipase e lípidos microbianos. Taguchi também estabeleceu as condições ótimas para a produção de lipase e lípidos microbianos (pH 7.2, 10 g·L-1 de OAU e pH 5.6, 30 g·L-1 de OAU e 5 g·L-1 de goma arábica para a produção de lipase e lípidos microbianos, respetivamente). Em ambos os casos, os resultados experimentais obtidos nas condições ótimas foram idênticos aos valores esperados. A influência da transferência de oxigénio na produção de lipase e lípidos microbianos em culturas descontínuas de Y. lipolytica W29 foi também estudada. O aumento do kLa de 9 h-1 até 93 h-1 favoreceu o crescimento celular bem como a produção de protease. Por outro lado, valores de kLa acima de 16 h-1 levaram a um decréscimo na produção de lipase. A acumulação de lípidos microbianos pela levedura foi também favorecida a valores kLa mais baixos. A composição, em ácidos gordos, dos lípidos microbianos acumulados pela levedura era, maioritariamente, ácido linoleico (≥60 %) e ácido oleico (≥30 %), demonstrando o potencial destes lípidos para serem utilizados como suplementos alimentares.