Βελτιστοποίηση παραγωγής μικροβιακού λίπους από απόβλητα βιομηχανίας τροφίμων

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη και βελτιστοποίηση της παραγωγής μικροβιακού λίπους από απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Τα μικροβιακά λιπίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή προσθέτων σε τρόφιμα υψηλής διατροφικής, φαρμακευτικά σκευάσματα και στην παραγωγή βιοντίζελ. Η παραγωγή μικροβιακού λίπους βασίστηκε στην αξιοποίηση του στερεού αμυλοπρωτεϊνούχου αποβλήτου ΄΄Άνθος Ορύζης΄΄ από την βιομηχανία Τροφίμων ΓΙΩΤΗΣ ΑΕ. Το αμυλοπρωτεϊνούχο απόβλητο μέσω ενζυμικής υδρόλυσης μετατράπηκε σε θρεπτικό υπόστρωμα για την βιοτεχνολογική παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων. Στην ενζυμική υδρόλυση χρησιμοποιήθηκαν ακατέργαστα ένζυμα (αμυλολυτικά και πρωτεολυτικά) τα οποία παρήχθησαν κατά την διάρκεια ζύμωσης στερεής κατάστασης από τον μύκητα Aspergillus awamori αξιοποιώντας ως υπόστρωμα το πίτυρο σίτου. Μετά τις 48 h ζύμωσης στερεάς κατάστασης, τα εναπομείναντα στερεά προστέθηκαν σε υδατικό εναιώρημα του αποβλήτου, προς ενζυμική υδρόλυση αυτού. Μετά από 24 h υδρόλυσης, συλλέχθηκε το υδρόλυμα άνευ στερεών και χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα σε καλλιέργειες υγρής κατάστασης με τον ελαιογόνο ζυμομύκητα Rhodosporidium toruloides προς παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων. Κατά την διάρκεια της ζύμωσης υγρής φάσης προσδιορίσαμε συγκεντρώσεις: α) γλυκόζης, β) ελεύθερου αζώτου αμινοξέων και πεπτιδίων, γ) ανόργανου Φωσφόρου, δ) ολικού ξηρού βάρους-Βιομάζας, ε) ολικών ενδοκυτταρικών μικροβιακών λιπιδίων. Επίσης, κατά την ενζυμική υδρόλυση προσδιορίσαμε συγκεντρώσεις: α) γλυκόζης και β) ελεύθερου αζώτου αμινοξέων και πεπτιδίων. Κατά την ενζυμική υδρόλυση είδαμε μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης(170 g/L) και ελεύθερου αζώτου αμινοξέων & πεπτιδίων(800 mg/L) στο υδρόλυμα, μετά από 24 h υδρόλυσης του αποβλήτου Άνθους Ορύζης με αρχική συγκέντρωση 234 g/L. Κατά τις ζυμώσεις υγρή φάσης του ελαιογόνου ζυμομύκητα Rhodosporidium toruloides παρατηρήσαμε την μέγιστη συγκέντρωση ενδοκυτταρικών μικροβιακών λιπιδίων (35.8 g/L) στις 168 h ημισυνεχούς καλλιέργειας, λαμβάνοντας απόδοση βιομάζας σε λίπος 57.4% (w/w), με αρχικές συγκεντρώσεις γλυκόζης 62.21 g/L και FAN 294.34 mg/L στο θρεπτικό μέσο. Ο μέγιστος ειδικός ρυθμός αύξησης(μmax) των κυττάρων υπολογίστηκε σε 0.453 h-1 κατά την ασυνεχή καλλιέργεια των κυττάρων, για τις ίδιες αρχικές συγκεντρώσεις γλυκόζης και FAN στο θρεπτικό μέσο. Επιπροσθέτως, καταγράφαμε μέγιστη συγκέντρωση βιομάζας (64.40 g/L) στις 168 h ημισυνεχούς καλλιέργειας, λαμβάνοντας απόδοση βιομάζας σε λίπος 41.6% (w/w), με αρχικές συγκεντρώσεις γλυκόζης 58.06 g/L και FAN 491.77 mg/L στο θρεπτικό μέσο. Τέλος, δημιουργήσαμε μαθηματικό μοντέλο για τα αποτελέσματα των ζυμώσεων υγρής κατάστασης, διακρίνοντας δύο στάδια: την μικροβιακή αύξηση και την λιποσυσσώρευση.

Aim of the current study was to research and optimize microbial oil production of from food industry wastes. Microbial lipids can be used for the production of additives in high nutritional value foods, medicines and biodiesel. Single Cell Oil(SCO) production was based on the exploitation of a solid starchy-protein waste from the food industry JOTIS SA. The waste was converted into nutrient medium for microbial oil production by enzymatic hydrolysis. For the enzymatic hydrolysis were used crude enzymes (proteolytic and amylolytic) which were produced during solid state fermentation by the fungus Aspergillus awamori, utilizing the wheat bran as substrate. After the solid-state fermentation (48 h), the remaining solids were added to an aqueous suspension of the starchy-protein waste for enzymatic hydrolysis of the waste. After 24 h of hydrolysis, the hydrolysate was collected free of solids and was used as a medium for applying various liquid-state fermentations with oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides for producing microbial lipids. During the liquid state fermentation samplings and analyses were applied at regular intervals in order to determine the concentration of: a) glucose, b) free amino nitrogen concentration, c) inorganic phosphorus, d) Total dry weight(Biomass) and e) Total intracellular microbial lipids concentration. Also, during the enzymatic hydrolysis samplings and analyses were applied at regular intervals in order to determine the concentration of: a) glucose and b) free amino nitrogen concentration. During the enzymatic hydrolysis maximum concentration of glucose (170 g/L) and free amino nitrogen (800 mg/L) were achieved after 24 h of hydrolysis of 234 g/L waste. While, the amylolytic and proteolytic enzymes which were used in this specific hydrolysis were produced by 48 h solid state fermentation of the fungus Aspergillus awamori on wheat bran. During the several liquid state fermentations maximum concentration of Single Cell Oil (35.8 g/L) was achieved at 168 h of fed-batch culture from the yeast Rhodosporidium toruloides, giving lipids yield of 57.4% (w/w), with initial concentrations of glucose 62.21 g/L and FAN 294.34 mg/L in the culture medium. The maximum specific growth rate (μmax) of the cells was calculated at 0.453 h-1 during the batch culture, for the same initial concentrations of FAN and glucose in the medium. Moreover, maximum biomass concentration (64.40 g/L) was achieved at 168 h of the fed batch culture, giving lipids yield of 41.6% (w/w), with initial concentrations of glucose 58.06 g/L and FAN 491.77 mg/L in the culture substrate. Finally, we have created mathematical model for our experimental results of the liquid state fermentations, distinguishing two stages: microbial growth and lipids accumulation.