Master's Thesis

Biotechnological production of yeast metabolites under combined stress

Final Thesis 1.62 MB

Author of thesis: Ing. Zuzana Baťková

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Simona Dzurendová, PhD

Reviewer: Ing. Dana Byrtusová, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis focuses on utilizing waste whey for the biotechnological production of carotenogenic yeast biomass and its valuable metabolites such as carotenoids, ubiquinone, ergosterol, fatty acids, and β-glucans. Combined stress conditions were used to evaluate the influence on the yeast biomass metabolites production. These metabolites find applications in various industries, for example pharmaceutical, cosmetic, and food. The thesis is divided into theoretical and experimental parts. The theoretical section describes the composition of whey and its valorization in various industries. Selected carotenogenic yeasts and their metabolites are also presented. Furthermore, the impact of nutritional, oxidative stress, and the influence of metals on the production of yeast biomass and metabolites are described. The experimental part is reporting the whey treatment, yeasts biomass production and methods for the determination of individual metabolites. Five strains of red yeasts were used in this thesis: Cystofilobasidium macerans (CCY 10-1-2), Phaffia rhodozyma (CCY 77-1-1), Sporobolomyces shibatanus (CCY 19-9-6), Rhodotorula kratochvilovae (CCY 20-2-26) and Rhodotorula toruloides (CYY 62-2-4). The strain Cystofilobasidium macerans showed the best results for the utilization of whey substrate under the influence of combined stress, especially in biomass, lipid, and β-glucan production. A promising strain in carotenoid production under combined stress was Sporobolomyces shibatanus.

Keywords:

red yeasts, combined stress, waste whey, microbiogenic elements, carotenoids, lipids, β-glucans, yeast biomass

Date of defence

22.05.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. V práci uvádíte pojem kontrolní syrovátkové médium, můžete to prosím objasnit? Může být produkce metabolitů ovlivněna množstvím biomasy? Co jste používali jako zdroj dusíku po deproteinaci syrovátky? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Můžete vysvětlit Vaše tvrzení, že výpočtem byl zvolen poměr C/N 20? Jaký byl použit výpočet? Můžete to objasnit? V práci uvádíte kapitolu kovový stres, kde píšete, že zinek má pozitivní vliv na tvorbu Vašich metabolitů, ale později v práci zase uvádíte, že to muže působit i inhibičně, můžete to prosím objasnit? Proč to působí inhibičně? Proč jste zvolili právě zinek nebo železo? V rámci stresových podmínek jste přidávali zinek? Poznámka k práci, pozor na pravidla psaní, špatné formátování. prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. Na základě, čeho byly zvoleny koncentrace daných iontů při použití stresu? Kolik bylo opakování při měření? doc. RNDr. Renata Mikulíková, Ph.D. V práci na straně 34 uvádíte stanovení alfa glukanů, v rámci práce jste stanovovaly tedy i alfa glukanů? Jak bylo toto stanovení provedeno? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Food Science and Biotechnology

Study programme

Chemistry of Natural Products (NPCP_CHPL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Renata Mikulíková, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Kráčmar, DrSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Simona Dzurendová, PhD

Študentka Bc. Zuzana Baťková sa vo svojej diplomovej práci venovala produkcii kvasinkovej biomasy v podmienkach kombinovaného stresu- použitie odpadnej syrovátky ako zdroja živin a prídavku kovov (železa a zinku). V teoretickej časti študentka poskytla prehľadnú rešerš o produkcii, chemickom složení a využitiach syrovátky v rôznych priemyselných odvetviach. Taktiež bolo popísané súčasné biotechnologické využitie syrovátky a motivácia biotechnologického využitia práve tohoto odpadného materiálu. Pokračovaním teoretickej časti bol popis karotenogénnych kvasiniek ako produkčných mikroorganismov a priblíženie ich metabolického potenciálu v rôznorodých stresových podmienkach. Bol poskytnutý súčasný stav problematiky a porovnanie s aktuálnou literatúrou.
V experimentálnej časti sa študentka venovala predúprave syrovátky a samotnému použitiu syrovátky v kombinácii s ďalšími zdrojmi živín v submerznej kultivácii piatich kmeňov karotenogénnych kvasiniek. V médiách boli taktiež používané rôzne koncentrácie zinku a železa pre otestovanie vplyvu kovového stresu na produkciu kvasinkových metabolitov. Kultivácie boli prevedené v Erlenmeyerových baňkách v pracovnom objeme 50 ml a následne študentka otestovala najvhodnejší kmeň v 2,5 l bioreaktore. Kvasinková biomasa bola podrobne analyzovaná s ohľadom na jej celkové množstvo a antioxidačnú aktivitu, obsah a zloženie lipidov, karotenoidov, ubichinonu, ergosterolu a glukanov. Výsledky boli spracované do prehľadných grafov umožňujúcich priame porovnanie jednotlivých kmeňov a zhodnotenie vplyvu prítomnosti syrovátky a množstva kovov na produkciu jednotlivých metabolitov a biomasy. V závere študentka prehľadne zrekapitulovala získané poznatky, identifikovala najvhodnejšie kvasinkové kmene a navrhla využitie vysokohodnotnej kvasinkovej biomasy vyprodukovanej na odpadnej syrovátke v oblasti krmivárstva a potravinových doplnkov.
Študentka zvládla množstvo experimentálnych metód a jej práca priniesla zaujímavé výsledky pre uplatnenie syrovátky ako zdroja živin v biotechnologických procesoch využívajúcich karotenogénne kvasinky. Študentka bola taktiež schopná kriticky zhodnotiť neoptimálne výsledky, parametry návrhu experimentov alebo metódy a navrhnúť možné riešenie. Získané data boli diskutované v porovnaní s relevantnými publikáciami a celkovo bolo použitých 99 zdrojov, čo svedčí o širokom rozhľade študentky v danej problematike. Zuzana pracovala v laboratóriu svedomite a samostatne. Výsledky a samotnú prácu pravidelne konzultovala. Kontrolou miery podobnosti s inými dokumentami a záverečnými prácami bola zistená podobnosť z 26%. Táto podobnosť bola pozorovaná hlavne v metodickej časti a iných formálnych odsekoch, celkovo sa teda práca dá považovať za originálnu. Túto diplomovú prácu odporúčam k obhajobe a hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury B
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Dana Byrtusová, Ph.D.

Předložená diplomová práce studentky Zuzany Baťkové se zabývá kultivaci karotenogenních kvasinek s využitím syrovátky jako kultivačního média. Teoretická část je logicky členěná, s minimem překlepů a chyb.
Experimentální část dokazuje, že studentka zvládla práci s mikroorganismy (kultivace v Erlenmeyrové baňce i fermentoru) i pokročilými analytickými metodami - plynovou a kapalinovou chromatografii. Množství a kvalita provedených experimentů odpovídá zadání cílů diplomové práce. Získané výsledky jsou přehledně prezentovány formou tabulek a grafů a jsou správně interpretovány a diskutovány.
K práci mám pouze pár připomínek. V experimentálni části není uvedeno kolik replikátu bylo provedeno pro kultivaci kvasinek v Erlenmeyrových baňkách. Postrádám rovněž výsledky stanovení sacharidů pomocí HPLC. V práci jsou uvedeny různé teploty a doby sterilizace médií. V kap. 4.5 je uvedeno 140 °C po dobu 45 minut, což může být pro komplexní médium příliš vysoká teplota.
Studentka splnila všechny dílčí cíle diplomové práce. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou A - výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1/ Proč studentka pro stanovení biomasy odebírala pouze 1 ml? Jak byla zpracováná zbývajícíčást?
  2. 2/ V práci postrádam výsledky ze stanovení sacharidů pomocí HPLC. Jaké bylo složení použitésyrovátky? Podle čeho bylo zvoleno množství syrovátky v médiu?
  3. 3/ Jak lze změnit složení média aby kvasinky produkovaly více lipidů?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová