Αξιοποίηση σακχαρούχων βιομηχανικών παραπροϊόντων προς παραγωγή μυκηλιακής μάζας και διατροφικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας μέσω χρήσης μακρομυκήτων του γένους Morchella

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής μελέτης διερευνήθηκε η αξιοποίηση της μελάσας, το υγρό βιομηχανικό απόβλητο από την επεξεργασία ζάχαρης, με βιολογικό τρόπο. Το υψηλό ρυπαντικό φορτίο της λόγω των μελανοϊδινών που περιέχει προσδίδει έντονο σκούρο χρώμα, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα ευτροφισμού, αν διοχετευτεί χωρίς επεξεργασία στο περιβάλλον. Θέτοντας ως στόχο την αποφαινόλωση και τον αποχρωματισμό της μελάσας και εκμεταλλευόμενοι την υψηλή της περιεκτικότητα σε σάκχαρα (κυρίως σακχαρόζη), χρησιμοποιήθηκε ως θρεπτικό υπόστρωμα για την αύξηση των εδώδιμων αυτοφυών ασκομυκήτων Morchella καλλιεργούμενων σε υγρές ζυμώσεις, στατικές ή υπό ανάδευση. Επιπλέον, αξιολογήθηκαν οι φυσιολογικές παράμετροι της μικροβιακής αύξησης και μελετήθηκαν η παραγωγή μυκηλιακής μάζας και δευτερογενών μεταβολιτών (ενδοκυτταρικών πολυσακχαριτών-IPS, ολικών φαινολικών ενώσεων, αντιοξειδωτικών ουσιών-DPPH). Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν κινητικές μελέτες σε δύο είδη της ανοιχτόχρωμης ομάδας (M. rotunda, M. vulgaris) και ένα της σκουρόχρωμης ομάδας (M. conica) μυκήτων Morchella, σε υγρές καλλιέργειες κλειστού τύπου σε διαφορα θρεπτικά υποστρώματα. Δύο θρεπτικά υποστρώματα με κύρια πηγή άνθρακα την σακχαρόζη (μάρτυρες) σε τέτοιες αρχικές συγκεντρώσεις (17 και 20 g/l) ώστε ο λόγος C/N του υποστρώματος να είναι ~20 και ~25 και σε δύο θρεπτικά υποστρώματα με κύρια πηγή άνθρακα την μελάσα σε τέτοιες αρχικές συγκεντρώσεις (53,41 και 89,02 g/l) ώστε ο λόγος C/N του υποστρώματος να είναι επίσης ~20 και ~25, σε στατικές και αναδευόμενες συνθήκες σε θερμοκρασία 26±1 oC. Πιο συγκεκριμένα, μετρήθηκε η παραγωγή μυκηλιακής μάζας, IPS, ολικών φαινολικών ενώσεων και αντιοξειδωτικών ουσιών και η κατανάλωση υποστρώματος (ολικά σάκχαρα και άζωτο ελεύθερων αμινομάδων), καθώς και ο βαθμός αποφαινόλωσης και αποχρωματισμού του περιεχομένου της μελάσας στα αντίστοιχα υποστρώματα. Σε ό,τι αφορά την παραγωγή μυκηλιακής μάζας και τα τρία είδη εμφάνισαν σχεδόν διπλάσιες συγκεντρώσεις βιομάζας στα θρεπτικά υποστρώματα με μελάσα απ’ ό,τι σε αυτά με σακχαρόζη (μάρτυρες) και παρήγαγαν μεγάλες ποσότητες IPS. Συγκεκριμένα το είδος M. conica εμφάνισε την μεγαλύτερη παραγωγή βιομάζας, η οποία έφτασε τα 18,16 g/l και την υψηλότερη συγκέντρωση IPS (5,97 g/l) στην αναδευόμενη καλλιέργεια στο θρεπτικό υπόστρωμα με πηγή άνθρακα μελάσα και λόγο C/N ~20. Για τα δύο ανοιχτόχρωμα είδη, M. vulgaris και M. rotunda, η μέγιστη παραγωγή βιομάζας 16,92 και 16,27 g/l, αντίστοιχα, παρατηρήθηκε στις αναδευόμενες καλλιέργειες στο υπόστρωμα με πηγή άνθρακα μελάσα και λόγο C/N ~25, ενώ την μέγιστη παραγωγή IPS (4,49 g/l και 3,84 g/l) εμφάνισαν στο άλλο υπόστρωμα με πηγή άνθρακα την μελάσα με C/N ~20. Επίσης, οι μεγαλύτερες τιμές %, κ.β. IPS (επί ξηρού) παρατηρήθηκαν για όλα τα είδη στις στατικές καλλιέργειες στο θρεπτικό υπόστρωμα με πηγή άνθρακα μελάσα και λόγο C/N ~20, ήτοι 30%. Επιπλέον, σχετικά με τα ολικά φαινολικά και την αντιοξειδωτική ικανότητα-DPPH, οι μέγιστες τιμές εμφανίστηκαν για τα τρία είδη, M. vulgaris (32,17 mg GAE/g ξ.β. και 5,96 mg Trolox/g ξ.β.), M. conica (24,18 mg GAE/g ξ.β. και 3,67 mg Trolox/g ξ.β.) και M. rotunda (31,54 mg GAE/g ξ.β. και 6,00 mg Trolox/g ξ.β.) στις στατικές και αναδευόμενες καλλιέργειες στο θρεπτικό μέσο με πηγή άνθρακα την σακχαρόζη και λόγο C/N ~20, με εξαίρεση την μέγιστη τιμή αντιοξειδωτικών του είδους M. rotunda, η οποία εμφανίστηκε στο θρεπτικό μέσο με πηγή άνθρακα την μελάσα και λόγο C/N ~25. Τέλος, οι μελετώμενοι μακρομύκητες εμφάνισαν υψηλά ποσοστά αποφαινόλωσης της μελάσας και στα δύο θρεπτικά υποστρώματα, στα οποία έγινε χρήση της. Τα ποσοστά κυμάνθηκαν μεταξύ 22,58% και 56,45% για το υπόστρωμα με λόγο C/N ~20 και μεταξύ 26,40% και 49,60% για αυτό με λόγο C/N ~25. Συγκεκριμένα, το είδος M. conica μείωσε την συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων σε ποσοστό 48% στο θρεπτικό υπόστρωμα μελάσας με C/N ~25 και ήταν εκείνο που πέτυχε την μέγιστη μείωση 56,45% στο υπόστρωμα μελάσας με C/N ~20. Επίσης, ήταν ο μοναδικός μακρομύκητας που παρουσίασε ικανότητα αποχρωματισμού καταγράφοντας ικανοποιητικά ποσοστά της τάξης του ~20-26% μόνο στο υπόστρωμα μελάσας με λόγο C/N ~20. Ακολουθεί το είδος M. rotunda, το οποίο μείωσε την συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων σε ποσοστό 38,71% και 49,60% στα θρεπτικά υποστρώματα μελάσας με C/N ~20 και ~25, αντίστοιχα. Ακόμη, τις χαμηλότερες τιμές αποφαινόλωσης εμφάνισε το είδος M. vulgaris με ποσοστά 32,26 και 28% στα υποστρώματα μελάσας με C/N ~20 και ~25, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, οι μελετώμενοι αυτοφυείς μακρομύκητες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία στην βιολογική επεξεργασία της μελάσας με σκοπό την μείωση του ρυπαντικού φορτίου και ταυτόχρονη παραγωγή προϊόντων υψηλής διατροφικής και φαρμακευτικής αξίας (βιομάζα, πολυσακχαρίτες, φαινολικές και αντιοξειδωτικές ουσίες).

The purpose of the present research is to study the evaluation of molasses, which are the viscous by-product of the sugar cane or sugar beet processing by using a biological treatment. The high molecular weight polymer melanoidin is the dark brown pigment found in molasses. The composition of this effluent and its release into the environment without appropriate previous treatment, may lead to eutrophication phenomena in the water. The main goal was to achieve detoxification (phenolic content reduction and decolorization) of the molasses contained in the nutrient substrate of the culture and due to their high content in sugars (mainly sucrose), it was used for the cell growth of the edible wild ascomycetes Morchella in liquid fermentations. In addition, the physiological parameters of fungal growth were evaluated and the production of mycelial mass and secondary metabolites (intracellular polysaccharides-IPS, total phenolic compound, antioxidant components-DPPH) was studied. Firstly, the examination of the kinetics of two species of the yellow morels (M. rotunda, M. vulgaris) and one of the black morels (M. conica) took place in batch cultures, at a temperature of 26±1 ºC. Two growing media with sucrose at such initial concentrations (17 g/l and 20 g/l) that the C/N ratio was ~20 and ~25 and two substrates with molasses at such initial concentrations (53.41 και 89.02 g/l) that the C/N ratio was also ~20 and ~25. More specifically, the production of mycelial mass, IPS, total phenolic and antioxidant components and the consumption of substrate (total sugars and nitrogen free amino acids), as well as the degree of phenolic content reduction and decolorization of molasses were measured. In terms of biomass production, all the examined species presented two times higher biomass concentration in the molasses substrates than in those with sucrose (control) and they produced large amounts of IPS. Specifically, the highest biomass was collected from the species M. conica reaching 18.16 g/l and the highest IPS concentration (5.97 g/l) on agitated culture in molasses substrate and C/N ratio ~20. As for the two species of the yellow morels M. vulgaris and M. rotunda, they produced the highest amount of biomass (16.92 and 16.27 g/l respectively), on agitated cultures in molasses substrate with C/N ratio ~25, while the maximum production of IPS (4.49 and 3.84 g/l) appeared in the other molasses substrate with C/N ratio ~20. Also, the highest values of IPS (on dry weight basis) was observed for all species on static cultures in the molasses substrate with C/N ratio ~20, the values being approximately 30%, w/w. Furthermore, as about the total phenolic compounds and antioxidant components-DPPH, the maximum values were for the three species (on dry weight basis): M. vulgaris (32.17 mg GAE/g and 5.96 mg Trolox/g), M. conica (24.18 mg GAE/g and 3.67 mg Trolox/g) and M. rotunda (31.54 mg GAE/g and 6.00 mg Trolox/g) on static and agitated cultures in sucrose substrate with C/N ratio ~20, with the exception of the maximum antioxidant value of the species M. rotunda, which appeared in the molasses substrate with C/N ratio ~25. Moreover, all the examined species presented high phenol reduction values in the two molasses substrates. The reduction values ranged between 22.58 and 56.45% for the molasses substrate with C/N ratio ~20 and between 26.40and 49.60% for the molasses substrate with C/N ratio ~25. In particular, M. conica reduced the concentration of phenolic compounds in the molasses substrate by 48% (C/N ratio ~25) and achieved the max value recoreded 56.45% (in C/N ~20). It was also the only macromycetes which presented decolorization ability, recording satisfactory values of ~20-26%, only in the molasses substrate with C/N ratio ~20. M. rotunda followed by reducing the phenolic compounds concentration with values of 38.71 and 49.60% in the molasses substrates with C/N ~20 and ~25, respectively. Lastly, the lowest phenol reduction was presented by the strain M. vulgaris with values 32.2% and 28.00% for the molasses substrates with C/N ~20 and ~25, respectively. In conclusion, the examined wild mushroom species could be used with great success as a mean of biological treatment of molasses with simultaneous production of high nutrition value products (biomass, polysaccharides, phenolic compounds and antioxidants).