Παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων πλούσιων σε γ-λινολενικό οξύ μέσω μικροβιακών ζυμώσεων με τη χρήση απόβλητων λαχανικών

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, η συνεχόμενη αύξηση απόβλητων τροφίμων, έχει οδηγήσει στην ανάγκη αξιοποιησής τους. Μέσω των βιοδιεργασιών που πραγματοποιούνται, για την επίτευξη της εκμετάλλευσης αποβλήτων, ευνοείται σημαντικά η βιοοικονομία, καθώς μηδενικής αξίας απόβλητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή άνθρακα ή αζώτου. H παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, πραγματοποιήθηκε με στόχο την μελέτη της αξιοποίησης απόβλητων λαχανικών, καθώς αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα ποσοστά τροφίμων, που απορρίπτονται ετησίως σε παγκόσμιο επίπεδο. Πρώτο βήμα της μελέτης μας αποτέλεσε ο προσδιορισμός της βιοχημικής σύστασης του αποβλήτου και στη συνέχεια, η αξιοποίησή του ως βιοδιυλιστήριο. Η εκμετάλλευση του αποβλήτου μέσω βιοδιυλιστηρίου, αποσκοπεί στη παραλαβή προϊόντων προστιθέμενης αξίας όπως αντιοξειδωτικών συστατικών, πρωτεϊνών και λιπαρών οξέων που δεν συντίθενται από τον ανθρώπινο οργανισμό. Η εκχύλιση των αντιοξειδωτικών πραγματοποιήθηκε μέσω 2 μεθόδων, του επωαστήρα υπό ανάδευση και μέσω του υδατόλουτρου υπερήχων με τη χρήση διαφορετικών διαλυτών (EtOH, EtOH-HCl, MeOH, MeOH-HCl) σε διαφορετικές αραιώσεις (1:30 w/v, 1:40 w/v,1:80 w/v), ώστε να διαπιστωθεί ο καλύτερος συνδυασμός, για την παραλαβή της μέγιστης ολικής φαινολικής περιετικότητας. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε η εκχύλιση των πρωτεϊνών χημικά. Tο στερεό υπόλειμμα, έπειτα από την απομάκρυνση των προαναφερθέντων συστατικών, υπεβλήθη σε διαδικασία ενζυμικής υδρόλυσης, με τη χρήση εμπορικών ενζύμων, ώστε να παραχθεί υδρόλυμα, πλούσιο κυρίως σε γλυκόζη. Στην παρούσα εργασία, αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής μικροβιακών λιπιδίων από ανανεώσιμες πρώτες ύλες, προερχόμενες από την ενζυμική υδρόλυση του φωλλώδους μέρους του μπρόκολου. Οι ζυμώσεις διαλείποντος έργου, με το μυκητιακό στέλεχος Cunninghamella echinulata ΑΤHUM 4411, αρχικά διεξήχθησαν και μελετήθηκαν σε συνθετικά υποστρώματα που περιείχαν διάφορους μονοσακχαρίτες ως πηγές άνθρακα (γλυκόζη, μαννόζη, γαλακτόζη, ξυλόζη, αραβινόζη). Η αραβινόζη δεν αφομοιώθηκε ικανοποιητικά από το μυκητιακό στέλεχος, με αποτέλεσμα τη χαμηλή συσσώρευση σε ενδοκυτταρικό λίπος (0,054 g/L). Εν αντιθέσει, στα υπόλοιπα εμπορικά θρεπτικά υποστρώματα η λιποπεριεκτικότητα έφτασε σε υψηλά επίπεδα (39,56-36,56% w/w), με την μεγαλύτερη συσσώρευση ενδοκυτταρικού λίπους να εμφανίζεται στη μαννόζη,με συγκέντρωση που ανήλθε στα 3,96 g/L Ακολούθησαν πειράματα έχοντας ως θρεπτικό μέσο καλλιέγειας, μίγμα συνθετικών σακχάρων, προσομοιωμένο στη σύσταση των σακχάρων που περιέχονται στα υδρολύμα, προερχόμενο από την υδρόλυση φύλλων του μπρόκολου, όπως επίσης και στο καθαυτό υδρολύμα. Παρότι, το μικροβιακό στέλεχος κατανάλωσε την πηγή άνθρακα από το υδρόλυμα, παρατηρήθηκε μη ικανοποιητική παραγωγή μικροβιακών λιπιδίιων (1,55 g/L), με λιποπεριεκτικότητα μόλις το 14% w/w. Το μικροβιακό λίπος που παρήχθη από όλα τα προαναφερθέντα θρεπτικά υποστρώματα, αξιολογήθηκε ως προς την σύσταση των περιεχόμενων σε αυτό λιπαρών οξέων. Τα κυριότερα λιπαρά οξέα ήταν το ελαϊκό οξύ (37,28-58,12 %), το παλμιτικό οξύ (15,33-24,38%), ακολουθούμενα από το λινελαϊκό οξύ (11,68-18,58%) και το γ-λινολενικό οξύ (GLA) (11,98-19,67%). Όσον αφορά στην περιεκτικότητα των λιπαρών οξέων σε GLA, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διακυμάνσεις μεταξύ των διαφορετικών υποστρωμάτων με τα μεγαλύτερα ποσοστά να παρουσιάζονται στις ζυμώσεις που χρησιμοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα η μαννόζη. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί πως το GLA είχε αυξητική τάση όσο προχωρούσε ο χρόνος των μικροβιακών ζυμώσεων με μόνη εξαίρεση τη γλυκόζη, με την χρήση της οποίας δεν ππαρατηρήθηκε το συγκεκριμένο φαινόμενο.

The last decades, the highly increasing amounts of food waste, which makes their exploitation essential. Bioprocess exploitation of food waste promotes financial growth, by leveraging zero-value waste as a source of nitrogen and carbon. This work focuses on the valorization of vegetable waste, which comprise the majority of the annual food waste worldwide. Additionally, the exploitation of waste as a biorefinery has the potential to produce products such as antioxidants, proteins and fatty acids, which can not be provided by the human body. In this study, we first identify the biochemical composition of the waste, and then we explore its biorefinery capabilities. Τwo methods were used for the extraction of antioxidants, the agitator incubator and the ultrasonic water bath, employing various solvents (EtOH, EtOH-HCl, MeOH, MeOH-HCl) in several dilutions (1:30 w/v, 1:40 w/v, 1:80 w/v), to determine the most favorable combination based on the maximum total phenolic content. Subsequently, the chemical extraction of proteins took place. Finally, the solid residue was enzymatically hydrolyzed via the usage of commercial enzymes, to produce hydrolysate rich in glucose. In the present study, the potential production of microbial lipids using renewable raw materials, deriving from the enzymatic hydrolysis of broccoli leaves, was evaluated. Shake flask batch fermentations with the fungal strain Cunninghamella echinulata ATHUM 4411 were initially conducted and investigated on synthetic substrates containing various monosaccharides as carbon sources (glucose, mannose, galactose, xylose, arabinose). Arabinose was not sufficiently metabolized by this fungal strain, resulting in a low accumulation of intracellular lipids (0,054 g/L). In contrast, the other commercial substrates, led to high lipids content (36,54-39,56 % w/w), with the highest accumulation occurring in the case of mannose, reaching a lipid concentration of 3,96 g/L. Experiments using a mixture of synthetic sugars, simulated to the composition of sugars contained in the hydrolysate, deriving from the hydrolysis of broccoli leaves, as well as using the renewable hydrolysate, followed. Although the microbial strain consumed the carbon source of the hydrolysate, low lipids production (1,55 g/L) was observed with a lipid content of just 14% w /w. The microbial lipids produced from all of the aforementioned fermentative substrates were evaluated for the composition of their fatty acids. The predominant fatty acid was oleic acid (37,28-58,12 %), palmitic acid (15,33-24,38 %), followed by linoleic acid (11.68-18.58 %) and γ-linolenic acid (GLA) (11,98-19,67 %). Regarding the GLA content, no significant variations were observed between the different substrates, with the highest percentage achieved when mannose was utilized. Finally, it is worth noting that GLA had an increasing tendency as microbial fermentations proceeded with the time, except for glucose, that did not show the particular phenomenon.