Μελέτη των ιδιοτήτων βακτηριακής κυτταρίνης που παράγεται με χρήση βιομηχανικών παραπροιόντων και αξιοποίηση της στη βιομηχανία τροφίμων

Abstract

Η κυτταρίνη αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών. Αποτελεί την πιο άφθονη οργανική ένωση στη Γη και παράλληλα μπορεί να παραχθεί μέσω μικροβιακής ζύμωσης. Η βακτηριακή κυτταρίνη η οποία είναι στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος λόγω της υψηλής της καθαρότητας και των ειδικών φυσικοχημικών χαρακτηριστικών της, βρίσκει εφαρμογή στε πολλαπλούς τομείς όπως στην ιατρική, στη βιομηχανία τροφίμων καθώς και σε άλλα εμπορικά και βιομηχανικά προϊόντα. Στην παρούσα μελέτη αξιολογήθηκε αρχικά η δυνατότητα παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης μέσω ζυμώσεων διαλείποντος έργου, αξιοποιώντας ως θρεπτικά υποστρώματα ανανεώσιμες πρώτες ύλες οι οποίες προήλθαν από παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων και της βιομηχανίας βιοντίζελ. Η βάση για όλες τις ζυμώσεις, ήταν το μέσο καλλιέργειας Hestrin-Schramm (HS-γλυκόζη) στο οποίο γινόταν κάθε φορά αντικατάσταση της πηγής άνθρακα ή/και αζώτου. Οι βακτηριακές ζυμώσεις διήρκησαν 15 ημέρες και το μικροβιακό στέλεχος που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκε η προοπτική χρήσης: • υδρολυμάτων από φλοιούς πορτοκαλιού ως πηγή άνθρακα • υδρολυμάτων αλεύρων από το ενδοσπέρμιο του φοινικόκαρπου (Palm Kernel Cake-PKC) ως πηγή αζώτου σε συνδιασμό με ακατέργαστη γλυκερόλη καθαρότητας 92,4 % ως πηγή άνθρακα. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η αξιοποίηση υδρολύματος από φλοιούς πορτοκαλιού οδήγησε σε υψηλή παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης με τιμή 6,84 g/L ενώ με την χρήση θρεπτικού υποστρώματος PKC και ακατέργαστης γλυκερόλης η συγκέντρωση της βακτηριακής κυτταρίνης μειώθηκε κατά 70 %. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάλυση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων δειγμάτων βακτηριακής κυτταρίνης που προέκυψαν κατά την 2η, 5η, και 8η ημέρα της μικροβιακής ζύμωσης σε υπόστρωμα που περιέχει υδρόλυμα από φλοιούς πορτοκαλιού και φυτικής κυτταρίνης που απομονώθηκε από φλοιούς πορτοκαλιού. Τα δείγματα αξιολογήθηκαν ως προς την καθαρότητα, την ικανότητα συγκράτησης νερού, τον βαθμό πολυμερισμού, τον δείκτη κρυσταλλικότητας και την μικροσκοπική μορφολογία τους. Τα πειραματικά δεδομένα από την σύγκριση βακτηριακής και φυτικής κυτταρίνης έδειξαν ότι η πρώτη χαρακτηρίζεται από υψηλή καθαρότητα καθώς τα κυτταρινούχα υπολείμματα που προέκυψαν ύστερα από επεξεργασία των φλοιών πορτοκαλιού με συμβατική όξινη εκχύλιση και εκχυλίσεις σε αντιδραστήρες μικροκυμάτων περιείχαν ημικυτταρίνη, λιγνίνη και πηκτίνη. Η παρουσία κορυφών στα 3240 cm−1 και 3270 cm−1 στο φάσμα IR της βακτηριακής κυτταρίνης αποδεικνύουν ότι το βακτήριο συνθέτει και τους δύο τύπους κυτταρίνης, Ια και Ιβ, κατά την διαδικασία της ζύμωσης, ενώ τα φάσμα 13C NMR, φανερώνουν ότι στα δείγματα κυριαρχεί ο τύπος κυτταρίνης Iα. Χρησιμοποιώντας IR, XRD και 13C NMR προσδιορίστηκε η κρυσταλλικότητα των δειγμάτων της βακτηριακής κυτταρίνης ως ≈ 88 %, τιμή η οποία είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τα δείγματα της φυτικής κυτταρίνης. Ο μέγιστος βαθμός πολυμερισμού που εντοπίστηκε ήταν αυτός των δειγμάτων BC (1752 μονάδες άνυδρης γλυκόζης), ενώ τα αποτελέσματα των δειγμάτων φυτικής κυτταρίνης δεν είναι ξεκάθαρα διότι αυτή είναι συνδεδεμένη με ημικυτταρίνη και λιγνίνη. Τέλος, τα δείγματα BC εμφάνισαν μεγαλύτερη ικανότητα συγκράτησης νερού (26,50 g/g) σε σύγκρισε με τα δείγματα κυτταρινούχων υπολειμμάτων από τους φλοιούς πορτοκαλιού (≈7 g/g) λόγω του καθαρού δικτύου ινών που ενισχύει τη σύνδεση με τα μόρια του νερού. Τέλος, η βακτηριακή κυτταρίνη που παράχθηκε σε υπόστρωμα HS-γλυκόζη προστέθηκε ως σταθεροποιητικός παράγοντας σε φρέσκα ζυμαρικά ελεύθερα γλουτένης με ρυζάλευρο σε ποσοστά 0,1, 0,5 και 1 %, ξηρή ή προενυδατωμένη σε αυγό. Εν συνεχεία αξιολογήθηκαν οι ρεολογικές ιδιότητες της ζύμης αλλά και η ποιότητα μαγειρέματος, η υφή και οι θερμορεολογικές ιδιότητες των ζυμαρικών που παρασκευάστηκαν. Η χρήση βακτηριακής κυτταρίνης έδειξε ότι δεν επηρέασε τα ποιοτικά χαρακτηριστικά όταν αυτή προστέθηκε σε διαφορετικά ποσοστά ή όταν προηγήθηκε διαδικασία προενυδάτωσης. Η απευθείας προσθήκη βακτηριακής κυτταρίνης οδήγησε σε ενίσχυση της ελαστικότητας της ζύμης, ενώ σε γενικές γραμμές όλα τα δείγματα εμφάνισαν ιξωδοελαστική συμπεριφορά γέλης με την τιμή του συντελεστή αποθήκευσης G' να είναι πάντα υψηλότερη από την τιμή του συντελεστή απώλειας G" σε όλο το φάσμα συχνοτήτων που μελετήθηκαν για κάθε δείγμα. Κατά συνέπεια η BC θα μπορούσε να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για την αύξηση της περιεκτικότητας σε διαιτητικές ίνες των ζυμαρικών χωρίς γλουτένη, χωρίς να επηρεάζονται τα φυσικά χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος.

Cellulose constitutes the major part of the plant cell walls. It is the most abundant organic compound on Earth and can be also produced via microbial fermentation. Nowadays, research is focused on bacterial cellulose due to its high purity and specific physico-chemical characteristics. Bacterial cellulose can be applied in numerous sectors namely medicine, food industry as well as commercial and industrial products. The initial objective of this study was the evaluation of bacterial cellulose production via batch fermentations, utilizing as nutrient substrates renewable raw materials derived from by-products of the food industry and biodiesel industry. The basis for all fermentations was the Hestrin-Schramm medium (HS-glucose) in which the carbon and/or nitrogen source was replaced when needed. Bacterial fermentations lasted 15 days and the microbial strain used was Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973. Specifically, it was evaluated the prospect of utilizing: • orange peel hydrolysates as a carbon source, • palm kernel cake hydrolysates (PKC) as a nitrogen source in combination with crude glycerol (92.4 %, w/w) as a carbon source. According to the experimental data, the utilisation of orange peel hydrolysates resulted in high bacterial cellulose production with a value of 6.84 g/L, while using PKC hydrolysates in combination with raw glycerol in the fermentation media leaded to a 70 % reduction on bacterial cellulose concentration. The next stage of this investigation comprised the physicochemical properties determination of bacterial cellulose samples. These samples were taken after 2, 5 and 8 days of microbial fermentation and derived from nutrient medium containing orange peel hydrolysates as well as plant-based cellulose extracted from orange peels. The samples were examined for their purity, water holding capacity, degree of polymerization, crystallinity index and their microscopic morphology. It was demonstrated that BC showed higher purity than plant-based cellulose due to the fact that plant-based cellulose obtained after treatment of orange peels with conventional acidic extraction and extraction in microwave reactors, was found to contain hemicellulose, lignin and pectin. Regarding bacterial cellulose, the presence of absorption bands at 3240 cm-1 and 3270 cm-1 in the IR spectrum showed that the bacteria synthesize both Ia and Ib cellulose types during the fermentation process, while the peaks in 13C NMR spectra, showed that the Ia cellulose was the predominant type. IR, XRD, 13C NMR analysis were applied to estimate the crystallinity of bacterial cellulose samples. The determined value of around 88 % was higher than the crystallinity values of the plant-based cellulose. BC samples (1752 anhydroglucose units) exhibited the maximum degree of polymerization, in contrast with the plant-based cellulose which degree of polymerization is not well-defined since cellulose is linked to hemicellulose and lignin. Finally, BC samples showed higher water holding capacity (26.50 g/g) compared to the cellulosic residues derived from orange peels (≈ 7 g/g) due to the fact that BC posses an extra-pure fiber network that enhances binding to water molecules. As a final step in the current research, bacterial cellulose produced in HS-glucose medium was added as a stabilizing factor in fresh gluten-free pasta with rice flour at percentages of 0.1, 0.5 and 1 %, in a dry form or prehydrated in egg. Subsequently, the rheological properties of the dough as well as the cooking quality, texture and thermorheological properties of the produced pasta were evaluated. The addition of bacterial cellulose at different rates or its prehydration did not affect the quality characteristics of the pasta. The direct addition of bacterial cellulose resulted in enhanced dough elasticity. In general all samples presented viscoelastic gel behavior and the value of storage modulus G' was always higher than the value of the loss modulus G" across the frequency spectrum studied for each sample. BC can be a promising material for increasing the dietary fiber content of gluten free pasta, without affecting the physical characteristics of the final product.