Exploring the Sustainable Docosahexaenoic Acid Production in Aurantiochytrium limacinum SR21 Using Residual Raw Materials

Abstract

Omega-3-fettsyrer er essensielle næringsstoffer for helsen til mennesker, dyr og fisk. Spesielt er dokosaheksaensyre (DHA) en viktig omega-3-fettsyre som kun produseres i havet av marine arter, og som dermed utgjør primærkilden. Den raske veksten i akvakultursektoren på begynnelsen av 2000-tallet, resulterte i overutnyttelse av den primære marine fiskeoljen som ble brukt i oppdrettsfiskefôret. Som en konsekvens av dette ble den marine fiskeoljen som inneholdt de essensielle DHA-fettsyrene, fortynnet med vegetabilske oljer i fiskefôret. Dette medførte en reduksjon av helsefordelene for forbrukerne og et vestlig kosthold som mangler tilstrekkelige mengder DHA. For å adressere disse problemene har mikrobielle oljer fra thraustochytrider blitt bektraktet som et bærekraftig alternativ til omega-3-fettsyrer. Flere strategier har blitt utforsket for å forbedre lipidproduksjonen til thraustochytrider, enten ved hjelp av genetiske og biosyntetiske endringer eller optimalisering av bioprosessen. Til tross for fremskritt har produksjonen av DHA fra thraustochytrider ikke oppnådd samme grad av komersiell konkurranseevne som den konstandseffektive marine fiskeoljen. I denne masteroppgaven ble den encellede marine oljeproduserende mikroorganismen, Aurantiochytrium limacinum SR21, dyrket ved hjelp av restråstoffer i vekstmediet i et forsøk på å redusere produksjonskostnadene og øke den økonomiske levedyktigheten. Blant restråstoffene ble laksehydrolysat identifisert som en optimal organisk nitrogenkilde sammenlignet med laksemel, kyllinghydrolysat og kyllingmel, basert på deres respektive vekstytelse. En 50% erstatning av det tradisjonelle gjærekstraktet med laksehydrolysat sammenlignet med en kultur med 100% gjærekstrakt ga en tilsvarende spesifikk lipidproduktivitet på 0.05 gram lipider per gram fettfri biomasse per time. A. limacinum SR21 akkumulerte høye nivåer av lipider, opp til 70% av biomassen. Fettsyresammensetningen var relativt lik på tvers av alle kultiveringene, med 20-30% DHA. Glyserol, som har blitt ansett som et restråstoff som kan øke lipidproduksjonen, ble tilsatt for å erstatte kommersiell glukose. Det ble imidlertid observert at den glyserolbehandlede kulturen viste tilsvarende lipidproduktivitet og fettsyresammensetning som den glukosebehandlede kulturen, noe som indikerte at tilsats av glycerol ikke økte lipidakummuleringen. Til tross for at resultatene var reproduserbare, ble det observert at analysemetodene kunne videreutvikles og finjusteres for å øke nøyaktigheten og presisjonen. Denne masteroppgaven viser at med ytterligere optimalisering kan laksehydrolysat erstatte gjærekstrakt ved kultivering av thraustochytrider.

Omega-3 fatty acids are essential nutrients for the health of humans, animals and fish. In particular, docosahexaenoic acid (DHA) is an important omega-3 fatty acid that is only produced in the ocean by marine species, making them the primary source. The rapid growth of the aquaculture sector in the early 2000s, resulted in overexploitation of the primary marine fish oil used in the farmed fish feed. Consequently, the marine fish oil containing the essential DHA fatty acids was diluted with vegetable oils in the fish feed, which resulted in a reduction in the health benefits for consumers and a Western diet that lacks sufficient amounts of DHA. To address these concerns, thraustochytrids as microbial oils have emerged as a sustainable alternative source for omega-3 fatty acid. Numerous attempts have been made to enhance the production of thraustochytrids, either through metabolic engineering or improvements to the bioprocess. Despite the advancements, the commercial competitiveness of DHA production from thraustochytrids has not yet reached the same level as that of marine fish oil, which still remains a more cost-effective alternative. In this thesis, the single-celled marine oleaginous microorganism, Aurantiochytrium limacinum SR21 was cultivated using residual raw materials in the growth medium in an attempt to reduce the production costs and increase the economic viability. Among the residual raw materials, salmon hydrolysate was identified as a superior organic nitrogen source compared to salmon meal, chicken hydrolysate, and chicken meal, based on their respective growth performance. A 50% substitution of the traditional yeast extract with salmon hydrolysate compared to a culture with 100% yeast extract yielded equivalent specific lipid productivities of 0.05 gram lipids per gram fat free biomass per hour. A. limacinum SR21 yielded high levels of lipids, reaching up to 70% of the biomass. The fatty acid (FA) composition maintained a relative consistency across all cultivations, accounting for 20-30% DHA. Glycerol, which has been considered a residual raw material that could enhance lipid production, was added to replace commercial glucose. However, it was observed that the glycerol-treated culture demonstrated a similar lipid productivity and FA composition as the glucose-treated culture, indicating that the addition of glycerol did not enhance lipid accumulation. Despite achieving reproducible results, it was observed that the analytical methods could be further developed and refined to enhance the level of accuracy and precision. This thesis demonstrates that with further optimization, salmon hydrolysate can be used as a substitute for yeast extract in the cultivation of thraustochytrids.