Fermentation and chemical characterization of red pigments found in Aspergillus cavernicola and Penicillium atrosanguineum

Abstract

Kunsten å farge mat har blitt praktisert gjennom århundrer, og fungert som springbrett for utviklingen av en rekke syntetiske fargestoffer. I nyere tid har økning i forbrukernes kjøpekraft og sterkere bevissthet rundt syntetiske fargestoffers helseskadelige effekter, kombinert med krav om transparent produktmerking, ført til større etterspørsel etter alternative, naturlige fargestoffer. I dag ekstraheres de fleste godkjente naturlige pigmenter i EU og USA fra karplanter, men disse fargestoffene har flere ulemper. Blant annet er utvinningsprosessen avhengig av den tilgjengelige råvareforsyningen og ulike ekstraksjonsmetoder fører til variasjon mellom varepartier. Dette har resultert i økt interesse for å finne alternative kilder til mer robuste naturlige fargestoffer. Aktuelle kandidater omfatter ulike sopparter, som er kjent for å produsere diverse pigmenter gjennom sekundærmetabolismen under enkle vekstbetingelser. I dette masterprosjektet har vi benyttet flere kultiveringsteknikker for å optimalisere utvinningen av røde pigmenter produsert av Aspergillus cavernicola og i mindre grad også Penicillium atrosanguineum. Fokuset for prosjektet har hovedsakelig vært å få på plass kvalitative data, da taksonomisk informasjon om de respektive artene er begrenset. Kjemisk struktur av potensielle nye fargestoffer ble bestemt med 1H-NMR, og tilstedeværelse av røde pigmenter i prøver ble analysert med HPLC-DAD-MS. Vi observerte variasjoner i vekst og intensitet av røde pigmenter ved å kultivere de respektive stammene i forskjellige medier. Gjennom dette prosjektet har vi lyktes med å beskrive den kjemiske strukturen til et tidligere ukjent rødt pigment produsert av A. cavernicola og etablert en mulig strategi for å oppskalere kultivering av P. atrosanguineum i bioreaktorer. Videre forskning burde omfatte optimalisering av dyrkningsbetingelser for oppskaleringsprosesser for å se om det er mulig å etablere en kostnadseffektiv produksjon av pigmenter. Samtidig bør man utvikle taksonomiske og artsspesifikke metabolittprofiler for å identifisere mulig produksjon av mykotoksiner assosiert med A. cavernicola og P. atrosanguineum. Slik kan man få klarhet i om pigmentene vi har beskrevet er trygge å spise for oss mennesker, og dermed avgjøre om de omtalte soppartene er reelle kandidater for utvinning av fargestoffer.

The art of food colouring has been practiced for centuries, and served as a springboard for the development of a wide range of synthetic food colourants. However, increased consumer spending power and awareness of the harmful effects associated with synthetic pigments have led to greater demand for transparent labelling and alternative natural colourants. Today, most natural pigments approved by the European Union and the United States are extracted from higher plants. Nevertheless, plant-derived food colourants are associated with several drawbacks, including dependency on raw material supply and inconsistent extraction methods leading to batch-to-batch variations. Hence, the exploration of alternative sources for more robust natural pigments has become a field of interest in research. Potential candidates comprise members from the fungal kingdom, which are known to produce a variety of natural pigments through secondary metabolism under simple cultivation conditions. During the course of this master's thesis, several cultivation techniques have been employed with the purpose of optimising yield of red pigments produced by Aspergillus cavernicola and Penicillium atrosanguineum, with an emphasis on the former. The focal point of this project has been to acquire qualitative data, as taxonomic descriptions regarding the two species are limited. The structure of novel compounds was achieved through 1H-NMR, whereas HPLC-DAD-MS served as a helpful tool to detect the presence of red pigments in plug extractions and fermentation broths. By cultivating the respective strains in distinctive media, we observed variations in fungal growth and intensity of red pigments. Throughout this project we were able to elucidate the structure of a previously unknown red pigment produced by A. cavernicola, and establish possible screening strategies for scale-up operations of phoenicin production by P. atrosanguineum. Finally, further studies should focus on optimisation of cultivation conditions for scale-up processes in order to design a cost-effective pigment production. In addition to that, taxonomic and species-specific metabolite profiles should be developed to identify possible mycotoxins produced by the respective species, thereby determining if the obtained food colourants are safe for human consumption and if the particular species are suitable candidates to yield natural pigments.