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Publication
Valorization of yeast-based mannans as sources of bioactive ingredients for nutraceutical applications
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Authors
Abstract(s)
Amyris, Inc., a company dedicated to synthetic biotechnology, seeks to minimize the environmental impact of its industrial processes. Accordingly, the work hereby presented focuses on the valorization of their yeast by-products (Saccharomyces cerevisiae) to obtain bioactive compounds such as mannans and mannan oligosaccharides (MOS) for various applications in food, animal feed, and nutraceutical industries. To extract mannans from yeast biomass, different extraction processes (physical, chemical, and enzymatic) were explored, and final products were thoroughly characterized regarding their structural, physicochemical, and biological properties. Enzymatic hydrolysis provided the highest solid yield but was costly. Alkaline hydrolysis with 0.25 M sodium hydroxide resulted in a higher mannan yield but presented salt contamination issues. Thermal hydrolysis with water was chosen as the preferred method due to its favourable characteristics, including a high mannan content and minimal associated costs. The next step aimed at the production of MOS from the extracted mannans using two methodologies: hydrothermal production in a Parr reactor (MOS Parr), and hydrolysis using phosphoric acid (MOS H3PO4). In addition to their structural and physicochemical characterization, the produced MOS were also evaluated for their biological potential. Among the former properties, the hydrothermal extract showed higher molecular weight populations of oligomers. Both extracts were subjected to a simulation of the gastrointestinal tract digestion, and their immunomodulatory responses were assessed. Besides not showing anti-inflammatory properties, the extracts acted as immunostimulants by increasing the expression levels of the interleukin 6 (IL-6), a pleiotropic cytokine that plays a central role in the immune response. Regarding their potential applications, the MOS extracts were evaluated for their ability to inhibit the adhesion of uropathogenic Escherichia coli (UPEC) to bladder cells, aiming to prevent urinary tract infections (UTIs). Both extracts were assessed in prophylaxis and competition mode assays, showing a significant inhibition of UPEC in the competition assay (MOS H3PO4 89.6 ± 1.4% and MOS Parr 79.8 ± 1.1%) when compared to D-mannose, one of the commercial benchmarks most widely used in non-antibiotic UPEC therapies. Additionally, the extracts showed potential to be used in the management of vulvovaginal candidiasis (VVC). When in simulated vaginal fluid (SVF), and although a small decrease in Candida albicans growth was observed only in prophylaxis assays, both extracts promoted lactobacilli growth (a 4 log cycles increase in cell viability). Furthermore, in vitro competition studies demonstrated that MOS Parr extract, in combination with Lactobacillus crispatus, effectively inhibited the adhesion of C. albicans to vaginal cells (adhesion reduction of ~69%), while prophylactic evaluation revealed that both extracts, in synergy with the population of L. crispatus, effectively prevented the adhesion of C. albicans (adhesion reduction of ~56% and ~60% for MOS H3PO4 and MOS Parr, respectively). Furthermore, the chemical modification of mannans through carboxymethylation was investigated to enhance their biological potential. Carboxymethylation affected the composition, physical appearance, and antioxidant capacity of mannans, and the modified mannans demonstrated increased efficacy in inhibiting the growth of pathogenic bacteria and fungi, namely UPEC and C. albicans. Overall, this dissertation contributes to the broader objective of valorizing yeast by- products and harnessing their bioactive compounds for applications in food and nutraceutical industries, while providing the basis for the development of mannans and MOS supplements for the management of specific health-related challenges associated with UPEC and Candida albicans.
A Amyris, Inc. é uma empresa dedicada a biologia sintética que procura minimizar o impacto ambiental dos processos industriais. Assim, este trabalho foca-se na valorização de subprodutos da levedura, especialmente Saccharomyces cerevisiae, para obtenção de compostos bioativos como mananas e oligossacarídeos de mananas (MOS), para diversas aplicações nas indústrias alimentares (humana e animal) e de produtos nutracêuticos. Diferentes processos de extração (físico, químico e enzimático) foram explorados para a extração de mananas da biomassa de levedura, e os produtos finais foram caracterizados quanto às suas propriedades estruturais, físico-químicas e biológicas. A hidrólise enzimática apresentou o maior rendimento de sólidos, apesar de ser o processo mais dispendioso. A hidrólise alcalina com 0.25 M de hidróxido de sódio resultou num maior rendimento de mananas, mas apresentou problemas de contaminação de sais. A hidrólise térmica com água foi selecionada como o método preferencial devido ao alto teor de mananas obtido e aos custos mínimos associados. O passo seguinte visou a produção de MOS a partir das mananas extraídas utilizando duas metodologias: produção hidrotérmica em reator Parr (MOS Parr) e hidrólise com ácido fosfórico (MOS H3PO4). Além da caracterização estrutural e físico-química, os MOS produzidos foram avaliados quanto ao seu potencial biológico. Entre as propriedades anteriores, o extrato hidrotérmico apresentou populações de oligómeros com maior peso molecular. Ambos os extratos foram submetidos a uma simulação da digestão gastrointestinal, e suas respostas imunomoduladoras foram avaliadas. Além de não apresentarem propriedades anti-inflamatórias, os extratos atuaram como imunoestimulantes ao aumentar os níveis de expressão da interleucina 6 (IL-6), uma citocina pleiotrópica que desempenha um papel central na resposta imunológica. Quanto às suas potenciais aplicações, os extratos de MOS foram avaliados quanto à sua capacidade de inibir a adesão da Escherichia coli uropatogénica (UPEC) às células da bexiga, com o objetivo de prevenir infeções do trato urinário (ITUs). Ambos os extratos de MOS foram avaliados em ensaios de profilaxia e competição, mostrando uma inibição significativa da UPEC no ensaio de competição (MOS H3PO4 89,6 ± 1,4% e MOS Parr 79,8 ± 1,1%) quando comparados com a D-manose, uma das referências comerciais mais utilizadas em terapias não-antibióticas contra a UPEC. Além disso, os extratos mostraram potencial para serem utilizados no controlo da candidíase vulvovaginal (CVV). Quando em fluido vaginal simulado (FVS), e embora tenha sido observada uma pequena diminuição no crescimento de Candida albicans apenas nos ensaios profiláticos, ambos os extratos promoveram o crescimento de lactobacilos (um aumento de 4 ciclos logarítmicos na viabilidade celular). Ademais, estudos de competição in vitro demonstraram que o extrato MOS Parr, em combinação com Lactobacillus crispatus, inibiu a adesão de C. albicans às células vaginais (redução da adesão de ~69%), enquanto a avaliação profilática revelou que ambos os extratos, em sinergia com a população de L. crispatus, preveniram efetivamente a adesão de C. albicans (redução da adesão de ~56% e ~60% para MOS H3PO4 e MOS Parr, respetivamente). Adicionalmente, a modificação química de mananas por carboximetilação foi investigada para aumentar o seu potencial biológico. A carboximetilação afetou a composição, aparência física e capacidade antioxidante das mananas, e as mananas modificadas demonstraram maior eficácia na inibição do crescimento de bactérias e fungos patogênicos, nomeadamente UPEC e C. albicans. No geral, esta dissertação contribui para o objetivo mais amplo de valorizar os subprodutos da levedura e aproveitar seus compostos bioativos para aplicações nas indústrias alimentares e indústria nutracêutica, enquanto fornece as bases para o desenvolvimento de suplementos de mananas e MOS para a gestão de desafios específicos relacionados à UPEC e C. albicans.
A Amyris, Inc. é uma empresa dedicada a biologia sintética que procura minimizar o impacto ambiental dos processos industriais. Assim, este trabalho foca-se na valorização de subprodutos da levedura, especialmente Saccharomyces cerevisiae, para obtenção de compostos bioativos como mananas e oligossacarídeos de mananas (MOS), para diversas aplicações nas indústrias alimentares (humana e animal) e de produtos nutracêuticos. Diferentes processos de extração (físico, químico e enzimático) foram explorados para a extração de mananas da biomassa de levedura, e os produtos finais foram caracterizados quanto às suas propriedades estruturais, físico-químicas e biológicas. A hidrólise enzimática apresentou o maior rendimento de sólidos, apesar de ser o processo mais dispendioso. A hidrólise alcalina com 0.25 M de hidróxido de sódio resultou num maior rendimento de mananas, mas apresentou problemas de contaminação de sais. A hidrólise térmica com água foi selecionada como o método preferencial devido ao alto teor de mananas obtido e aos custos mínimos associados. O passo seguinte visou a produção de MOS a partir das mananas extraídas utilizando duas metodologias: produção hidrotérmica em reator Parr (MOS Parr) e hidrólise com ácido fosfórico (MOS H3PO4). Além da caracterização estrutural e físico-química, os MOS produzidos foram avaliados quanto ao seu potencial biológico. Entre as propriedades anteriores, o extrato hidrotérmico apresentou populações de oligómeros com maior peso molecular. Ambos os extratos foram submetidos a uma simulação da digestão gastrointestinal, e suas respostas imunomoduladoras foram avaliadas. Além de não apresentarem propriedades anti-inflamatórias, os extratos atuaram como imunoestimulantes ao aumentar os níveis de expressão da interleucina 6 (IL-6), uma citocina pleiotrópica que desempenha um papel central na resposta imunológica. Quanto às suas potenciais aplicações, os extratos de MOS foram avaliados quanto à sua capacidade de inibir a adesão da Escherichia coli uropatogénica (UPEC) às células da bexiga, com o objetivo de prevenir infeções do trato urinário (ITUs). Ambos os extratos de MOS foram avaliados em ensaios de profilaxia e competição, mostrando uma inibição significativa da UPEC no ensaio de competição (MOS H3PO4 89,6 ± 1,4% e MOS Parr 79,8 ± 1,1%) quando comparados com a D-manose, uma das referências comerciais mais utilizadas em terapias não-antibióticas contra a UPEC. Além disso, os extratos mostraram potencial para serem utilizados no controlo da candidíase vulvovaginal (CVV). Quando em fluido vaginal simulado (FVS), e embora tenha sido observada uma pequena diminuição no crescimento de Candida albicans apenas nos ensaios profiláticos, ambos os extratos promoveram o crescimento de lactobacilos (um aumento de 4 ciclos logarítmicos na viabilidade celular). Ademais, estudos de competição in vitro demonstraram que o extrato MOS Parr, em combinação com Lactobacillus crispatus, inibiu a adesão de C. albicans às células vaginais (redução da adesão de ~69%), enquanto a avaliação profilática revelou que ambos os extratos, em sinergia com a população de L. crispatus, preveniram efetivamente a adesão de C. albicans (redução da adesão de ~56% e ~60% para MOS H3PO4 e MOS Parr, respetivamente). Adicionalmente, a modificação química de mananas por carboximetilação foi investigada para aumentar o seu potencial biológico. A carboximetilação afetou a composição, aparência física e capacidade antioxidante das mananas, e as mananas modificadas demonstraram maior eficácia na inibição do crescimento de bactérias e fungos patogênicos, nomeadamente UPEC e C. albicans. No geral, esta dissertação contribui para o objetivo mais amplo de valorizar os subprodutos da levedura e aproveitar seus compostos bioativos para aplicações nas indústrias alimentares e indústria nutracêutica, enquanto fornece as bases para o desenvolvimento de suplementos de mananas e MOS para a gestão de desafios específicos relacionados à UPEC e C. albicans.
Description
Keywords
Mannans extracts Mannan oligosaccharides extracts Characterization Inhibition of uropathogens adhesion Carboxymethylation of mannans Extração de mananas Extratos de oligossacarídeos de mananas (MOS) Caracterização Inibição da adesão de uropatogénicos Carboximetilação de mananas