Production, extraction and characterization of a natural fungal pigment

Abstract

Natural pigments can be used for different purposes, namely in the textile industry for dyeing cloths, or in the food industry, as coloring agents. Nowadays, some food grade pigments produced by filamentous fungi, namely Monascus pigments, Arpink redTM from Penicillium oxalicum, riboflavin from Ashbya gossypii, as well as lycopene and β-carotene from Blakeslea trispora can be found in the market. In the European Union there are approximately 43 colorants authorized as food additives, whereas approximately 30 are approved in the United States, several of them from natural sources. Pigments can also be used in cosmetics, leather or in the pharmaceutical industry. More recently, other applications were found for pigments like in histological staining, in solar cells or as pH indicators. Additionally, important biological properties such as antibacterial, antifungal and herbicidal activities have been reported for natural pigments. Fungi are reported as potent pigment producers due to the rapid growth capacity of microorganisms and the fact that there is no seasonal effect as in plants. In this work, we optimized the production of extracellular pigments by Penicillium sp. under submerged fermentation. A mixture of three pigments (yellow, orange and red with λmax=400, 470 and 500 nm, respectively) was obtained under the optimal conditions (23 °C, 150 rpm, 20g/L lactose, 8 g/L yeast extract, 8 g/L peptone, and initial pH=7.0). The pigments were recovered from the fermentation broth using an alternative extraction approach based on Aqueous Two-Phase Systems (ATPSs) composed of two polymers or a polymer and a salt. PEG-salt ATPSs proved to be suitable to separate the pigments (top phase) from other components (proteins) present in the fermentation broth (bottom phase). Biomass (12 days fermentation) and Mycelial (7 days growth) pigments were also extracted with an organic solvent (ethanol). Finally, the pigments were characterized regarding their antioxidant and biological activity (antibacterial and antifungal) and potential use as pH indicators (yellow in the acid range and dark red at alkaline pH). All the extracts showed antioxidant potential and the mycelial ethanolic extract (MEE) was the only extract that presented antimicrobial activity against bacteria, fungi and yeast.

Os pigmentos naturais podem ser utilizados para diferentes fins, nomeadamente na indústria têxtil para tingir panos ou na indústria alimentar, como corantes. Atualmente, alguns pigmentos de grau alimentício produzidos por fungos filamentosos, nomeadamente pigmentos produzidos por Monascus, Arpink redTM produzido por Penicillium oxalicum, a riboflavina através de Ashbya gossypii, bem como licopeno e β-caroteno de Blakeslea trispora podem ser encontrados no mercado. Na União Europeia existem aproximadamente 43 corantes autorizados como aditivos alimentares, enquanto aproximadamente 30 são aprovados nos Estados Unidos, vários deles de fontes naturais. Os pigmentos também podem ser usados em cosméticos, couro ou na indústria farmacêutica. Mais recentemente, outras aplicações foram encontradas para pigmentos como na coloração histológica, em células solares ou como indicadores de pH. Além disso, importantes propriedades biológicas, tais como atividades antibacterianas, antifúngicas e herbicidas foram relatadas para pigmentos naturais. Os fungos são relatados como potentes produtores de pigmentos devido à rápida capacidade de crescimento dos microrganismos e ao facto de que não existe o efeito sazonal como nas plantas. Neste trabalho, otimizámos a produção de pigmentos extracelulares por Penicillium sp. sob fermentação submersa. Uma mistura de três pigmentos (amarelo, laranja e vermelho com λmax = 400, 470 e 500 nm, respetivamente) foi obtida sob condições ótimas (23 ° C, 150 rpm, 20 g/L de lactose, 8 g/L de suplementos e inicial pH = 7,0). Os pigmentos foram recuperados do meio de fermentação usando uma abordagem alternativa de extração baseada em Sistemas de Duas Fases Aquosas (ATPSs) compostos por dois polímeros ou um polímero e um sal. Os ATPSs PEG – sal provaram ser adequados para separar os pigmentos (fase superior) de outros componentes presentes no meio de fermentação (fase inferior). Os pigmentos obtidos a partir da biomassa (12 dias de fermentação) e do micélio (7 dias de crescimento), foram extraídos com um solvente orgânico (etanol). Finalmente, os pigmentos foram caracterizados quanto à sua atividade antioxidante e biológica (antibacteriana e antifúngica) e uso potencial como indicadores de pH (amarelo na faixa ácida e vermelho escuro em pH alcalino). Todos os extratos apresentaram potencial antioxidante e o MEE foi o único extrato a mostrar atividade antimicrobiana contra bactérias, fungos e leveduras.