Impact of Carbon and Nitrogen Source on Erythritol Production in Trichoderma reesei

Abstract

Ernährungsbezogene Krankheiten sind eine zunehmende Bedrohung hinsichtlich öffentlicher Gesundheit. Übermäßiger Konsum von Zucker kann dabei einer Menge an verschiedenen Krankheiten zugeordnet werden. Daher ist es von großem Interesse, eine sichere Alternative zu Zucker bei gleichbleibender Süße zu finden. Eine solcher Alternativen ist Erythritol. Es hat keinen Einfluss auf den Blutzuckerspiegel, zeigt keine ungewollten Nebenffekte und hat eine Süße von 60 - 80 % von Haushaltszucker. Die meisten industriellen Prozesse verwenden mutierte Stämme von Hefen zur Produktion von Erythritol. In dieser Diplomarbeit wird die Entwicklung eines Prozesses zur Produktion von Erythritol im filamentösen Pilz Trichoderma reesei diskutiert. Diese Arbeit ist Teil eines grÖßeren Projekts, welches auf einen industriell nutzbaren Prozess zur Erythritolproduktion zielt. In diesem Organismus wäre es möglich, einen industriell brauchbaren Prozess zur Produktion von Erythritol zu entwickeln. Zwei modifizierte Stämme von T. reesei werden verglichen. Das Hauptziel der Arbeit lag darin, den Einfluss bestimmter Parameter auf die Ausschleusung von Erythritol ins Medium zu verstehen und gleichzeitig die Ausbeute zu erhöhen. Als Kohlenstffuellen wurden Glukose, Xylose, und Laktose verglichen. Glukose wurde als einzige Option detektiert, welche zum sekretieren von Erythritol anregt. Als Stickstoffquellen wurden Ammo-nium, Nitrat, Hefeextrakt und Urea getestet. Urea stellte die optimale N-Quelle unter den Untersuchten dar. Mit einem Design of Experiments (DoE) Ansatz wurde weiters versucht, den Einfluss der Konzentrationen beider Parameter auf die Kultivierung besser zu verstehen. Schlussendlich wurde zuzüglich der Entdeckung des Einflusses vom pH-Wert die Kondition von 70 g/l Glucose und 80 mM Urea bei pH unter 5 als optimaler Prozess erklärt. Mit diesem verbesserten Prozess war es möglich, die volumetrische Produktion von Erythritol von 28 auf 978 mg/l (+ 3425 %), die Ausbeute bezogen auf Glucose von 0.3 auf 15.27 mg/g (+ 4990 %) und die Ausbeute bezogen auf das Myzel von 3 auf 80.08 mg/g (+ 2569 %) zu erhöhen.

Dietary diseases are an increasing danger to public health. Excessive sugar consumption can be linked to a plethora of avoidable health conditions. Thus, finding a safe alternative to added sugars while keeping sweetness similar is of great interest. One possible alternative is erythritol. It does not affect blood glucose levels, shows no unwanted side effects, and has a sweetness of 60-80 % of sucrose. Most industrial practices to produce erythritol include mutagenized strains of yeasts. In this thesis, we will discuss the impact of both carbon and nitrogen sources on the production of erythritol in the filamentous fungus Trichoderma reesei. This thesis is part of a bigger project, aiming to develop an industrially viable process for erythritol production in T. reesei. T. reesei can grow on agricultural waste products. This could lead to an industrially viable process for erythritol production. Two modified strains of T. reesei were compared. The main research goals concerned understanding the impact of different compounds on the excretion of erythritol into the supernatant and improving volumetric yield. The tested carbon sources were glucose, xylose and lactose. Glucose was found to be the only viable option. Tested nitrogen sources were ammonium, nitrate, yeast extract and urea. The best source of nitrogen was found to be urea. Using a design of experiments (DoE) approach, it was possible to better understand the impact of di↵erent glucose and urea concentrations on the cultivation. Finally, after investigating the impact of pH, the optimal conditions of glucose and urea were found to be 70 g/l glucose and 80 mM urea while maintaining a pH below 5. Using this improved process, the volumetric erythritol production was increased from 28 to 978 mg/l (+ 3425 %), the yield of erythritol per g glucose from 0.3 to 15.27 mg/g (+ 4990 %) and the yield of erythritol per g mycelium from 3to 80.08mg/g (+ 2569%).