Master's Thesis

Production and characterization of yeast biomass for application in vegan cosmetics

Final Thesis 5.93 MB

Author of thesis: Bc. Barbora Zápalková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Simona Dzurendová, PhD

Reviewer: Ing. Dana Byrtusová, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with a cultivation of five yeast strains using plant peptones as a nitrogen source in order to produce biomass that can be used in vegan cosmetics. Namely, the investigated strains included Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica, Metschnikowia reukaufii, Phaffia rhodozyma, and Komagataella pastoris. For comparison, cultivations in media containing animal peptones were performed as well. The theoretical part discusses natural cosmetics, focusing primarily on cosmetic ingredients derived from microorganisms. Besides the characteristics of the cultivated yeast strains, the literature review also covers the industrial production of yeast biomass, substrates used in cultivation media, and downstream processing of the products. The experimental work mainly consisted of the cultivation of individual yeast strains in complex media composed of glucose, yeast extract, and peptone. A total of six cultivation media, differing in the peptone source, were prepared for each strain. Plant peptones were derived from soybean, pea, potato or wheat, while animal ones came from meat or casein. Simultaneously, cultivations in the absence of yeast extract were performed to eliminate its influence on biomass production. Biomass yield was determined, the total protein content was analysed using the Hartree-Lowry method, β-glucan content was analysed using a commercial kit, and Phaffia rhodozyma metabolites were measured by high-performance liquid chromatography. Subsequently, the yeast biomass was subjected to a three-phase extraction using two different solvent mixtures. The biochemical profile of the yeast biomass and extracts was analysed by infrared spectroscopy. The biomass concentration results confirmed the possible substitution of animal peptones with plant alternatives, among which potato peptone stood out in particular. Yeast growth ranged from 3.944±0.008 g/L to 17.5±0.7 g/L, while the highest value was detected with the Yarrowia lipolytica strain. The analysis of total protein content did not provide unambiguous results regarding the highest production, on the contrary, the lowest values were observed when potato or wheat peptones were used. Higher β-glucan production was stimulated by both plant and animal cultivation variants. No significant differences were observed in carotenoid production in the Phaffia rhodozyma strain, although meat peptone supported the production the most. Additionally, ergosterol levels were higher, particularly in biomass cultivated using plant peptones. The absence of yeast extract in cultivation media led to lower yeast growth, whereas protein and β-glucan production matched or exceeded the levels observed in YPD media. FTIR-ATR analysis did not reveal a significant influence of the peptone source on the biomass biochemical profile, and indicated a probable substance distribution in the biomass extracts.

Keywords:

Yeasts, plant peptones, vegan cosmetics, postbiotics, cultivation, proteins, β-glucans, metabolites, extractions

Date of defence

29.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. U kterého peptonu docházelo k nejvyššímu nárůstu? Patří kaseinový pepton mezi levnější varianty? prof. RNDr. Iva Burešová, Ph.D. Zmiňujete hráškový pepton, můžete to objasnit? Jedná se opravdu o hráškový? prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. Jak dochází k rozlišení života schopných a neschopných buněk pomocí qPCR? Je to možné? Jaký z testovaných peptonů byl nejdražší? Jaké byly ceny jednotlivých peptonů? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry of Natural Products (NPCP_CHPL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Iva Burešová, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Simona Dzurendová, PhD

Predložená diplomová práca Bc. Barbory Zápalkovej sa zaoberá porovnaním živočíšnych a rastlinných peptonov v kultivácii piatich rôznych kmeňov kvasiniek s cieľom využitia ich biomasy a metabolitov vo veganskej kosmetike. Kontrola podobnosti vykazuje hodnotu 1.6%, preto je možné prácu považovať za originálnu. Teoretický úvod je spracovaný na veľmi dobrej úrovni. Autorka prehľadne uvádza prehľad prírodnej a veganskej kozmetiky, definovala význam postbiotík a detailne charakterizovala metabolický potenciál testovaných kmeňov kvasiniek. Zvláštna pozornosť bola venovaná priemyselnej produkcii biomasy a ekonomicko-kvalitatívnemu porovnaniu komerčne dostupných peptonov. Kladne hodnotím využitie veľkého množstva kvalitných zdrojov informácií. V rozsiahlej experimentálnej časti dominovala kultivačná práca, kde študentka zvládla paralelnú kultiváciu piatich kmeňov kvasiniek na šiestich rôznych zdrojoch dusíka (sója, hrach, zemiak, pšenica, mäso, kazeín), a to v dvoch samostatných sériách – s prídavkom kvasničného extraktu (YPD) a bez neho (PD). Spektrum nadväzujúcich analytických metód bolo taktiež široké (gravimetria, Hartree-Lowryho stanovenie celkových proteínov, enzymatické stanovenie beta-glukanov, extrakcia zložiek biomasy a inštumentálna analýza pomocou HPLC a FTIR). Výsledková časť prináša ucelený a kritický pohľad na testovanú hypotézu o plnohodnotnej náhrade živočíšnych substrátov. Výsledky boli porovnávané s poznatkami v literatúre a na základe nameraných dat študentka v závere navrhla účinky zložiek vyprodukovanej biomasy v kozmetických prípravkoch.
Študentka preukázala vysokú mieru samostatnosti, spoľahlivosti a analytického myslenia. Dokázala úspešne spracovať a interpretovať veľké množstvo dát a prácu priebežne konzultovala. Predloženú diplomovú prácu odporúčam k obhajobe a hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Dana Byrtusová, Ph.D.

Diplomová práce studentky Barbory Zápalkové se zabývá produkcí a charakterizací biomasy vybraných kvasinkových kmenů za použití rostlinných a živočišných peptonů jako komplexních zdrojů dusíku. Téma práce je velmi aktuální, neboť reaguje na rostoucí zájem o vegansky přijatelné suroviny pro kosmetický průmysl.
Práce je členěna standardním způsobem na teoretickou, experimentální a výsledkovou část. Teoretická část je široká a pokrývá přírodní a veganskou kosmetiku, mikrobiální kosmetické ingredience, využití kvasinek a průmyslovou produkci kvasinkové biomasy. Rešerše obsahuje pár nepřesností, jako jsou: nesprávné označení polysacharidů jako uhlovodíků, uvedení zeaxanthinu jako samostatné skupiny vedle karotenoidů, označení šneka jako hmyzího zdroje, a zavádějící tvrzení o maximální produkci biomasy v exponenciální fázi růstu.
Experimentální část je rozsáhla. Autorka kultivovala pět kvasinkových kmenů v médiích s různými rostlinnými a živočišnými peptony a sledovala koncentraci biomasy, obsah celkových proteinů, β-glukanů a u kvasinky Phaffia rhodozyma také vybrané metabolity pomocí HPLC. Dále byla provedena extrakce složek biomasy a FTIR-ATR analýza biomasy i extraktů. Pozitivně hodnotím zařazení médií bez kvasničného extraktu, protože tato varianta umožnila lépe sledovat vliv samotného peptonu. V diskusi bych uvítala hlubší interpretaci rozdílů mezi jednotlivými peptony a jejich vlivu na produkci biomasy a jednotlivých složek.
Diplomová práce splňuje stanovené cíle a představuje ucelené zpracování aktuálního tématu. Za přínosné považuji zejména propojení biotechnologického přístupu s aplikačním kosmetickým kontextem a snahu posoudit alternativní, rostlinně založené zdroje dusíku. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1/ Pokud má být získaná biomasa využita jako postbiotická kosmetická ingredience, jaké další testy by bylo nutné provést před jejím praktickým použitím?
  2. 2/ Jak mohlo odpařování chloroformového extraktu pod dusíkem při 45 °C ovlivnit stabilitu karotenoidů?
  3. 3/ Jaké rozdíly ve složení jednotlivých peptonů podle Vás mohly nejvíce ovlivnit produkci biomasy, proteinů, β-glukanů a dalších sledovaných metabolitů?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová