Uno studio comparativo che utilizza la metodologia della superficie di risposta e la rete neurale artificiale per la produzione ottimizzata di melanina da parte di Aureobasidium pullulans AKW

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13545 (2023) Citare questo articolo

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L'effetto di tre variabili indipendenti (vale a dire tirosina, saccarosio e tempo di incubazione) sulla produzione di melanina da parte di Aureobasidium pullulans AKW è stato svelato da due approcci distinti: metodologia della superficie di risposta (ovvero Box Behnken design (BBD)) e rete neurale artificiale (ANN) in questo studio per la prima volta utilizzando un mezzo semplice. Per quanto riguarda il BBD, il saccarosio e gli intervalli di incubazione hanno imposto un'influenza significativa sulla produzione (livelli di melanina), tuttavia, la tirosina no. Il processo di validazione ha mostrato un'elevata coerenza dei paradigmi BBD e ANN con la produzione sperimentale di melanina. Per quanto riguarda l'ANN, i valori previsti di melanina erano altamente paragonabili ai valori sperimentali, con errori minori in competizione con BBD. Valori sperimentali di melanina altamente comparabili sono stati ottenuti utilizzando BBD (9,295 ± 0,556 g/L) e ANN (10,192 ± 0,782 g/L). L'ANN ha previsto con precisione la produzione di melanina e ha mostrato un miglioramento maggiore nella produzione di melanina di circa il 9,7% in più rispetto al BBD. La struttura della melanina purificata è stata verificata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX), modello di diffrazione di raggi X (XRD) e analisi termogravimetrica (TGA). I risultati hanno verificato l'architettura gerarchica delle particelle come piccole bussole mediante analisi SEM, la spaziatura tra gli strati nell'analisi XRD, la percentuale atomica massima per gli atomi di carbonio e ossigeno nell'analisi EDX e la grande stabilità termica nell'analisi TGA delle particelle. melanina purificata. È interessante notare che l'attuale nuovo ceppo endofitico era tirosina-indipendente e il paradigma ANN applicato in modo univoco era più efficiente nel modellare la produzione di melanina con quantità apprezzate su un mezzo semplice in un tempo relativamente breve (168 ore), suggerendo ulteriori studi di ottimizzazione per un'ulteriore massimizzazione della produzione di melanina.

La curiosità verso i pigmenti naturali, in particolare quelli provenienti da microrganismi, ha attratto i consumatori, da quando la diffusione dei coloranti sintetici nei cosmetici, nella lavorazione alimentare, nel tessile e nei prodotti farmaceutici è diventata limitata, a causa della loro cancerogenicità, iperallergenicità e tossigenicità1,2. Il valore dei pigmenti microbici comprende la loro elevata stabilità, resa e facilità di produzione, nonché il basso costo e la facilità di coltivazione microbica3. La produzione microbica di melanina è un campo di indagine di talento, a causa della crescita del settore che richiede pigmenti naturali come prodotti sicuri, facilmente degradabili ed ecologici1.

La melanina è un pigmento marrone scuro che si forma dalla polimerizzazione ossidativa di composti fenolici, come glutamminil-3,4-diidrossibenzene, catecolo, 3,4-diidrossinaftalene o 3,4-diidrossi-fenilalanina, durante le vie metaboliche del funghi, un'altra via è la via della 3,4-diidrossifenilalanina, dove la tirosina è catalizzata dalla tirosinasi e dalla laccasi per formare dopachinone, che viene ossidato e autopolimerizzato in melanina3,4. Inoltre, la produzione di melanina dipende dagli enzimi tirosinasi intra e/o extracellulari, grazie ai quali diversi studi hanno evidenziato il processo cinetico di attivazione, inattivazione, induttore e inibitori dell'enzima tirosinasi durante la crescita di Penicillium chrysogenium, Trichderma reesei e Trichoderma harzianum2,5.

Tra i produttori microbici di melanina, i funghi hanno una superiorità nella costruzione della melanina con disponibilità come potente fonte, perché sono abili nel produrre un’elevata resa della sostanza nel terreno di coltura a basso costo, rendendo il bioprocesso economicamente praticabile su scala industriale3 ,4. È stato segnalato che diversi funghi ascomiceti producono melanina, ad esempio Aureobasidium pullulans, Neophaeotheca triangularis, Trimmatostroma salinum e Hortaea werneckii6,7. Rispetto ai batteri, questi funghi presentano potenziali vantaggi dovuti alla predominanza di due enzimi chiave (tirosinasi e laccasi) che svolgono un ruolo importante nella produzione di melanina8.