Βιοτεχνολογική αξιοποίηση αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων προς παραγωγή χρωστικών ουσιών με στελέχη μυκήτων

Abstract

Στην παρούσα μελέτη εξετάστηκε η αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων προς τη παραγωγή φυσικών χρωστικών μέσω ζυμώσεων με μυκητιακά στελέχη. Ειδικότερα, εξετάστηκε η χρησιμοποίηση του φλοιού πορτοκαλιού ως απόβλητο της διαδικασίας χυμοποίησης σε ζυμώσεις στερεάς κατάστασης (solid state fermentation), ημι-στερεάς κατάστασης (semi-solid state fermentation) καθώς και σε υγρές καλλιέργειες (submerged fermentations). Τα μυκητιακά στελέχη πο χρησιμοποιήθηκαν ήταν το στέλεχος Monascus purpureus ATCC 16365 καθώς και το Penicillium purpurogenum CBS 113139. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις στερεάς κατάστασης με το στέλεχος M. purpureus όπου εξετάστηκε η βελτιστοποίηση της μεθόδου εκχύλισης των χρωστικών με διαφορετικούς οργανικούς διαλύτες καθώς και η επίδραση του ξηρού και του νωπού ζυμούμενου υποστρώματος. Εν συνεχεία μελετήθηκε η επίδραση του μεγέθους των κόκκων του υποστρώματος και σε επόμενο στάδιο η επίδραση της παρουσίας των αιθερίων ελαίων που εμπεριέχονται στο φλοιό του πορτοκαλιού κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Επιπρόσθετα μελετήθηκε η προσθήκη πηγής αζώτου μέσω της προσθήκης ηλιαλεύρου στο θρεπτικό υπόστρωμα. Στις βέλτιστες συνθήκες που προσδιορίστηκαν, πραγματοποιήθηκαν εν συνεχεία ζυμώσεις με το στέλεχος P. purpurogenum προκειμένου να συγκριθεί η παραγωγή χρωστικών. Στο επόμενο στάδιο της πειραματικής μελέτης έλαβαν χώρα ζυμώσεις ημι-στερεάς κατάστασης σε δύο διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις, ήτοι 20 και 50 g/L, κατά τις οποίες ο φλοιός πορτοκαλιού προστίθεται σε υγρό μέσο καλλιέργειας ώστε να παρέχει τα θρεπτικά συστατικά αλλά παράλληλα και ένα μέσο υποστήριξης για την ανάπτυξη των μυκηλλιακών υφών. Η πειραματική διεργασία πραγματώθηκε και για τα δύο μυκητιακά στελέχη, ενώ ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στη σύγκριση μεταξύ εσωκυττάριων και εξωκυττάριων χρωστικών. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση υγρών θρεπτικών μέσων που προήλθαν από διαφορετικές θερμικές μεθόδους επεξεργασίας του φλοιού πορτοκαλιού ως υποστρώματα σε υγρές καλλιέργειες για την παραγωγή χρωστικών. Κατά τη διάρκεια των εν λόγω πειραμάτων αξιολογήθηκε η παραγωγή ενδοκυττάριων και εξωκυττάριων χρωστικών, η παραγωγή συνολικού ξηρού βάρους καθώς και η κατανάλωση των σακχάρων και του αζώτου των ελεύθερων αμινομάδων που εμπεριέχονται στα αμινοξέα και στα πεπτίδια (free amino nitrogen, FAN) και για τα δύο στελέχη των μυκήτων. Επίσης, κατά τη διάρκεια όλων των πειραμάτων προσδιορίστηκαν τα ολικά φαινολικά συστατικά και η αντιοξειδωτική ικανότητα των εκχυλισμάτων

The aim of the present study was the valorization of various agro-industrial waste and by-product streams for the fermentative production of natural pigments using fungal strains. More specifically, waste orange peel (WOP) was evaluated as substrate in solid state fermentations, semi-solid state fermentation and submerged fermentations implementing the fungal strains Monascus purpureus ATCC 16365 and Penicillium purpurogenum CBS 113139. Initially, solid state fermentations were conducted with the strain M. purpureus to evaluate and optimize the extraction of pigments using different organic solvents along with the effect of the fermentated substrate (on wet or dry basis). Subsequently, the effect of substrate particle size was implemented, the presence or absence of essential oils in the solid substrate and finally the effect of nitrogen source through the addition of sunflower meal. Under the optimum conditions demonstrated, further experiments were carried out with the strain P. purpurogenum to compare microbial proliferation and pigment production. During the next experimental step semi-solid state fermentations were conducted in two different initial concentrations of WOP, namely 20 and 50 g/L for both fungal strains. WOP was dispersed in liquid medium in order to provide the essential nutrients along with a substrate substrate to facilitate fungal hyphae proliferation. Furthermore, special attention was attributed in the comparison of intracellular and extracellular pigments. Subsequent experiments focused on the evaluation of liquid supplements deriving from various thermal treatments of WOP as substrates for the fermentative production of pigments employing the two fungal strains. Pigment biosynthesis and total dry weight production were evaluated along with sugars and free amino nitrogen consumption during fermentation. Finally, the total phenolic content and the antioxidant capacity was assessed in all the etracts obtained from all the experiments performed in solid state, semi-solid state and submerged fermentations.