بهینه‌سازی شرایط برای افزایش بیوماس سلولی زعفران و تولید کروسین در بیوراکتور هم‌زده

بیوراکتورها شرایط مناسبی برای رشد سلول‌ها و تولید متابولیت‌های ثانویه با تنظیم عوامل فیزیکی و شیمیایی فراهم می‌کنند. در این مطالعه، رشد سلولی زعفران و تولید متابولیت کروسین در فلاسک ارلن‌مایر و در بیوراکتور هم‌زده ارزیابی شد. برای بهینه‌سازی شرایط، اثر غلظت‌های مختلف 2-(N-مورفولینو) اتان سولفونیک اسید (MES) (0، 2.5 و 5 mM) به عنوان عامل بافر و ساکارز (3%، 6% و به تدریج 6%) بر رشد سلولی زعفران و تولید کروسین در فلاسک ارلن‌مایر بررسی شد. این هدف سپس در بیوراکتور هم‌زده از طریق بررسی اثر هوادهی و تنظیم pH محیط پیگیری شد. نتایج آزمایش مرحله اول نشان داد که محیط پایه Schenk و Hildebrandt با اسید نفتالن استیک (2 mg l⁻¹) و 6-بنزیل آمینوپورین (1 mg l⁻¹) مکمل‌شده با 2.5 mM MES و همچنین افزایش تدریجی ساکارز از 3 به 6% باعث بالاترین بیوماس سلولی و تولید کروسین شد. اندازه‌گیری طیف‌سنجی نشان داد که بالاترین محتوای کروسین سلول‌ها 0.8 mg g⁻¹ پس از 6 هفته بود. نتایج بخش دوم نشان داد که در بیوراکتور هم‌زده، pH ثابت (5.8) در طول دوره رشد عامل محدودکننده برای رشد سلولی و تولید کروسین است. هوادهی نیز عامل مهاری برای تولید کروسین یافت شد. نتایج نشان داد که، اگر حجم تبخیرشده آب ناشی از هوادهی جبران شود، می‌تواند عامل مؤثری برای افزایش رشد سلولی حدود 2 برابر باشد. علاوه بر این، محتوای کل کروسین سلول‌های تکثیرشده در سیستم بیوراکتور هم‌زده تحت شرایط pH غیرثابت و بدون هوادهی، می‌تواند تا 2 mg g⁻¹ وزن خشک سلول افزایش یابد، بر اساس تعیین HPLC. بر اساس نتایج این مطالعه، می‌توان نتیجه گرفت که MES و افزایش تدریجی ساکارز می‌تواند رشد سلولی و تولید کروسین را افزایش دهد. در بیوراکتور هم‌زده آزمایش‌شده، یافت شد که نوسان pH طبیعی شرایط مناسبی برای رشد بیوماس سلولی زعفران و تولید کروسین است. هوادهی مناسب می‌تواند بیوماس سلولی را افزایش دهد، اگر آب تبخیرشده جبران شود. با این حال بر اساس نتایج به‌دست‌آمده می‌توان نتیجه گرفت که، هوادهی در مقدار آزمایش‌شده قادر به افزایش تولید کروسین نیست.

Bioreactors provide suitable conditions for the growth of cells and production of secondary metabolites by regulating physical and chemical factors. In this study, saffron cell growth and the production of crocin metabolite were evaluated in Erlenmeyer flask and in a stirred bioreactor. To optimize the conditions, the effect of different concentrations of 2-(N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES) (0, 2.5 and 5 mM) as a buffering agent and sucrose (3%, 6% and gradually 6%) were addressed on saffron cell growth and crocin production in the Erlenmeyer flask. This aim was then pursued in a stirred bioreactor through investigation on the effect of aeration and pH medium adjustment. The results of the first step experiment showed that Schenk and Hildebrandt basal medium with naphthalene acetic acid (2 mg l⁻¹) and 6-benzylaminopurine (1 mg l⁻¹) supplemented with 2.5 mM of MES as well as gradual increment of sucrose from 3 to 6% caused the highest cell biomass and crocin production. The spectrophotometry measurement showed that the highest crocin content of the cells was 0.8 mg g⁻¹ after 6 weeks. The results of the second part revealed that in the stirred bioreactor, constant pH (5.8) during the growth period is a limiting factor for the cell growth and crocin production. Aeration was also found to be an inhibiting factor for the production of crocin. The results showed that, if the evaporated volume of water caused by aeration is constituted, it can be an effective factor to increase cell growth around 2 folds. In addition, total crocin content of the proliferated cells in stirred bioreactor system under the non-constant pH and without aeration conditions, could be raised up to 2 mg g⁻¹ of cell dry weight, based on the HPLC determination. According to the results of this study, it can be concluded that MES and gradual increment of sucrose could increase the cell growth and crocin production. In the tested stirred bioreactor, it was found that the natural pH fluctuation is a suitable condition for saffron biomass cell growth and crocin production. The proper aeration could increase the cell biomass, if the evaporated water is replaced. However based on the obtained results it can be concluded that, aeration at tested value is not capable of increasing the crocin production.