Um estudo comparativo utilizando metodologia de superfície de resposta e rede neural artificial para produção otimizada de melanina por Aureobasidium pullulans AKW

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13545 (2023) Citar este artigo

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O efeito de três variáveis ​​independentes (ou seja, tirosina, sacarose e tempo de incubação) na produção de melanina por Aureobasidium pullulans AKW foi desvendado por duas abordagens distintas: metodologia de superfície de resposta (ou seja, design Box Behnken (BBD)) e rede neural artificial (ANN) neste estudo pela primeira vez usando um meio simples. Em relação à DII, a sacarose e os intervalos de incubação exerceram influência significativa na produção (níveis de melanina), porém a tirosina não. O processo de validação exibiu alta consistência dos paradigmas BBD e RNA com a produção experimental de melanina. No que diz respeito à RNA, os valores previstos de melanina foram altamente comparáveis ​​aos valores experimentais, com pequenos erros competindo com o BBD. Valores experimentais altamente comparáveis ​​de melanina foram alcançados com o uso de BBD (9,295 ± 0,556 g/L) e ANN (10,192 ± 0,782 g/L). ANN previu com precisão a produção de melanina e mostrou maior melhoria na produção de melanina cerca de 9,7% maior que o BBD. A estrutura da melanina purificada foi verificada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), padrão de difração de raios X (XRD) e análise termogravimétrica (TGA). Os resultados verificaram a arquitetura hierárquica das partículas como pequenas bússolas pela análise SEM, espaçamento entre camadas na análise XRD, % atômica máxima para átomos de carbono e oxigênio na análise EDX, e a grande estabilidade térmica na análise TGA do melanina purificada. Curiosamente, a nova cepa endofítica atual era independente de tirosina, e o paradigma RNA aplicado exclusivamente foi mais eficiente na modelagem da produção de melanina com quantidade apreciada em um meio simples em um tempo relativamente curto (168 h), sugerindo estudos adicionais de otimização para maior maximização da produção de melanina.

A curiosidade pelos pigmentos naturais, principalmente os provenientes de microrganismos, tem atraído consumidores, uma vez que a difusão de corantes sintéticos em cosméticos, processamento de alimentos, têxteis e produtos farmacêuticos tornou-se limitada, devido à sua carcinogenicidade, hiperalergenicidade e toxigenicidade1,2. O valor dos pigmentos microbianos inclui sua alta estabilidade, rendimento e fácil produção, bem como seu baixo custo e facilidade de cultivo microbiano3. A produção microbiana de melanina é um campo de investigação talentoso, devido ao crescimento da indústria que exige pigmentos naturais como produtos seguros, degradáveis ​​sem esforço e ecologicamente corretos1.

A melanina é um pigmento marrom escuro formado pela polimerização oxidativa de compostos fenólicos, como glutaminil-3,4-diidroxibenzeno, catecol, 3,4-diidroxinaftaleno ou 3,4-diidroxi-fenilalanina, durante as vias metabólicas de fungos, outra via é a via da 3,4-dihidroxifenilalanina, onde a tirosina é catalisada pela tirosinase e pela lacase para formar a dopaquinona, que é oxidada e autopolimerizada em melanina3,4. Além disso, a produção de melanina depende de enzimas tirosinase intra e/ou extracelulares, pelas quais vários estudos alcançaram o processo cinético de ativação, inativação, indutor e inibidores da enzima tirosinase durante o crescimento de Penicillium chrysogenium, Trichderma reesei e Trichoderma harzianum2,5.

Entre os produtores microbianos de melanina, os fungos têm superioridade na construção de melanina com disponibilidade como fonte potente, porque são proficientes em produzir um alto rendimento da substância no meio de cultura de baixo custo, o que torna o bioprocesso economicamente praticável em escala industrial3 ,4. Foi relatado que vários fungos ascomicetos produzem melanina, por exemplo, Aureobasidium pullulans, Neophaeotheca triangularis, Trimmatostroma salinum e Hortaea werneckii6,7. Em comparação com as bactérias, estes fungos apresentam vantagens potenciais devido à predominância de duas enzimas principais (tirosinase e lacase) que desempenham um papel importante na produção de melanina8.