PL: Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych w optymalizacji mikrobiologicznego odzysku białek z wytłoków roślin oleistych | EN: Application of artificial neural networks in optimization of microbial recovery of proteins from oilseed cakes

abstractPL: Celem pracy była optymalizacja mikrobiologicznego procesu jednoczesnej ekstrakcji i hydrolizy białek wytłoków roślin oleistych w celu zwiększenia odzysku białka. Proces przeprowadzono z użyciem szczepu Bacillus subtilis ATCC 6633, a substrat stanowiły makuchy z dyni, lnianki, lnu złotego, sezamu oraz wiesiołka. Do optymalizacji zastosowano sztuczne sieci neuronowe (SSN) oraz statystyczne metody planowania eksperymentów. W pierwszym etapie badań przeprowadzono hodowle screeningowe z wybranymi wytłokami, w celu wskazania substratu o najwyższym stężeniu białka oraz aminokwasów. Hodowle prowadzono w objętości 50 mL w temperaturze 28°C przy wytrząsaniu 170 rpm. Każdą kolbę zaszczepiono ilością inokulum odpowiadającą ok. 2 * 10 9 komórek bakterii. Czas trwania hodowli wynosił 10 dni, próbki pobierano w następujących dobach: 1, 2, 3, 4, 7 oraz 10. Najwyższe stężenie białka oraz aminokwasów zaobserwowano w hodowli z makuchem z dyni. Największe stężenie białka odnotowano w 4 dobie i wynosiło ono 1,13 mg/mL, najwyższe stężenie aminokwasów, także odnotowano w 4 dobie i wyniosło ono 6,34 mM. W kolejnym etapie przeprowadzono skrining czynników o istotnym wpływie na odzysk białka oraz uwalnianie aminokwasów. Badane były następujące zmienne niezależne: • MgSO4 (brak lub 1 g/L) • KH2PO4 (brak lub 0,5 g/L) • CaCl2 (brak lub 1 g/L) • (NH4)2SO4 (brak lub 1 g/L) • KNO3 (brak i 1 g/L) • stężenie inokulum (2*109 i 1*1010 kom/mL) • stężenie substratu (20 i 40 g/L) Hodowle prowadzono w objętości 50 mL. Temperatura wynosiła 28°C, zastosowane wytrząsanie wynosiło 170 rpm. Czas trwania hodowli wynosił 5 dni. Próbki pobierano w 3, 4 i 5 dobie. Zastosowanie modelu eliminacyjnego Placketta-Burmana pozwoliło na ustalenie, że czynnikiem o największej istotności, jednocześnie wykazującym pozytywnie wpływ na odzysk białka oraz uwalnianie aminokwasów było stężenie substratu. Niekorzystnie natomiast wpływał dodatek CaCl2, MgSO4, KNO3, K2HPO4 oraz objętość inokulum, jednakże tylko dodatek chlorku wapnia wykazywał istotny wpływ. Najwyższe stężenie białka równe było 1,48 mg/mL, a aminokwasów 104,28 mM. W trzecim etapie badań zastosowano sztuczne sieci neuronowe (SSN) w celu optymalizacji odzysku białek oraz uwalniania aminokwasów. Przeprowadzono hodowle z różną zawartością wytłoków z dyni tj. 5, 10, 15 i 20 %. Hodowle przeprowadzono w objętości 50 mL w temperaturze 28°C przy wytrząsaniu 170 rpm. Kolby zaszczepiono ilością inokulum odpowiadającą ok. 2 * 10 9 komórek bakterii. Czas trwania hodowli wynosił 7 dni, próbki pobierano codziennie, zaczynając od 3 doby. Na podstawie zebranych danych przeprowadzono analizę wyników za pomocą modułu Automatycznych Sieci Neuronowych. Wykorzystanie modułu „optymalizacja odpowiedzi” pozwoliło na wyznaczenie optymalnych warunków hodowli dla odzysku białka. Optymalny poziom dodatku wytłoków wynosił 18%, natomiast optymalny czas hodowli wyniósł 5,5 doby. Analiza wyników z uwalniania aminokwasów pozwoliła na stwierdzenie, że im większa zawartość makuchu z dyni w podłożu oraz im dłuższy czas hodowli, tym większe stężenie aminokwasów. Najwyższe stężenie aminokwasów wynosiło 520 mM. Ostatni etap badań polegał na przeprowadzeniu hodowli potwierdzających w wyznaczonych optymalnych warunkach. Odzysk białka wyniósł 1,41 mg/mL, co świadczy o przydatności wykorzystywania Sztucznych Sieci Neuronowych do optymalizacji.

abstractEN: The aim of this study was to optimize the microbiological process of simultaneous extraction and hydrolysis of oilseed cake proteins to increase protein recovery. The process was carried out using Bacillus subtilis strain ATCC 6633, and the substrate was pumpkin, flax, golden flax, sesame and evening primrose oil cake. Artificial Neural Networks (ANN) and statistical methods for planning experiments were used for optimization. In the first stage of the study, screening cultures were conducted with selected oil cake to identify the substrate with the highest concentration of protein and amino acids. The cultures were conducted in a volume of 50 mL at 28°C with 170 rpm shaking. Each flask was inoculated with an amount of inoculum corresponding to approximately 2 * 109 bacterial cells. The culture duration was 10 days, samples were taken on the following days: 1, 2, 3, 4, 7 and 10. The highest concentration of protein and amino acids was observed in the culture with pumpkin oil cake. The highest protein concentration was recorded on day 4 and amounted to 1.13 mg/mL, the highest concentration of amino acids was also recorded on day 4 and amounted to 6.34 mM. In the next stage, factors with a significant effect on protein recovery and amino acid release were screened. The following independent variables were tested: - MgSO4 (none or 1 g/L) - KH2PO4 (absent or 0,5 g/L) - CaCl2 (absent or 1 g/L) - (NH4)2SO4 (absent or 1 g/L) - KNO3 (absent or 1 g/L) - inoculum concentration (2*109 and 1*1010 cells/mL) - substrate concentration (20 and 40 g/L) Cultures were conducted in a volume of 50 mL. The temperature was 28°C, the shaking applied was 170 rpm. The duration of culture was 5 days. Samples were taken on day 3, 4 and 5. Using the Plackett-Burman elimination model, it was found that the substrate concentration was the factor of greatest significance, while showing a positive effect on protein recovery and amino acid release. On the other hand, the addition of CaCl2, MgSO4, KNO3, K2HPO4 and inoculum volume had a negative effect, but only the addition of calcium chloride showed a significant effect. The highest concentration of protein was 1.48 mg/mL and of amino acids 104.28 mM. In the third stage of the study, artificial neural networks (ANN) were used to optimize protein recovery and amino acid release. Cultures were conducted with different pumpkin oil cake contents i.e. 5, 10, 15 and 20 %. The cultures were carried out in a volume of 50 mL at 28°C with shaking at 170 rpm. The flasks were inoculated with an amount of inoculum corresponding to about 2 * 10 9 bacterial cells. The duration of culture was 7 days, samples were taken daily starting from day 3. On the basis of the collected data the analysis of the results was carried out using the Automatic Neural Networks module. The use of the "response optimization" module allowed the determination of optimal culture conditions for protein recovery. The optimal marc addition level was 18 %, while the optimal culture time was 5.5 days. Analysis of the amino acid release results revealed that the higher the content of pumpkin oil cake in the culture medium and the longer the culture time, the higher the amino acid concentration. The highest concentration of amino acids was 520 mM. The final stage of the study consisted of confirmatory cultures under the determined optimum conditions. The protein recovery was 1.41 mg/mL, demonstrating the utility of using Artificial Neural Networks for optimization.

status: finished