Βιοτεχνολογική αξιοποίηση του τυρογάλακτος προς παραγωγή κυτταρικής βιομάζας και μεταβολιτών με τη χρήση ζυμών

Abstract

Η ραγδαία αύξηση της παραγωγής αποβλήτων παγκοσμίως, αναγκάζει την κοινωνία και την επιστημονική κοινότητα να βρουν βιώσιμες λύσεις, μειώνοντας τον όγκο των παραγόμενων υπολειμμάτων και αξιοποιώντας τα μέσω φιλικών προς το περιβάλλον διαδικασιών. Η μείωση των αποβλήτων σε συνδυασμό με τη χρήση τους για την παραγωγή νέων προϊόντων προστιθέμενης αξίας ή βιοαερίου ωφελεί τόσο το περιβάλλον όσο και την οικονομία. Η βιομηχανία γαλακτοκομικών και τυροκομικών απετέλεσε ανέκαθεν βασικό πυλώνα της ελληνικής οικονομίας, με τεράστια ποικιλία, ευρέως αποδεκτών, προϊόντων. Ωστόσο, η τυροκομική πρακτική παρασκευής τυριού οδηγεί στην αποβολή του τυρογάλακτος, ενός παραπροϊόντος με πολύ υψηλό οργανικό φορτίο. Διάφοροι τρόποι μείωσης του ρυπαντικού φορτίου, όπως η αερόβια επεξεργασία, η αναερόβια χώνευση, η χρήση ως ζωοτροφή, η διήθηση για τον διαχωρισμό συμπυκνωμάτων πρωτεΐνης ορού γάλακτος και ο διαχωρισμός τους λόγω έντονης αναθέρμανσης, κροκκίδωσης των πρωτεϊνων του ορού και παρασκευής τυριών τυρογάλακτος με επακόλουθη καλλιέργεια μικροοργανισμών στο δευτερογενές τυρόγαλα, ένα ρεύμα πλούσιο σε λακτόζη, προκειμένου να παραχθούν μεταβολίτες προστιθέμενης αξίας (όπως μονοκυτταρική βιομάζα, μικροβιακά λιπίδια, οργανικά οξέα, κ.ο.κ.), έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Η καλλιέργεια ελαιογόνων ζυμών σε αγρο-βιομηχανικά παραπροϊόντα και η παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά εκκίνησης της διεργασίας για τη σύνθεση «2ης γενιάς» βιοντίζελ και διάφορων τύπων ελαιοχημικών, θεωρείται ως μία από τις σημαντικότερες προσεγγίσεις της Μικροβιακής Βιοτεχνολογίας, στα πλαίσια της κυκλικής πράσινης οικονομίας και της βιώσιμης ανάπτυξης. Στην παρούσα μελέτη, αξιολογήθηκαν 8 στελέχη ζύμης ως προς την ανάπτυξή τους σε καθορισμένο υπόστρωμα, με λακτόζη ως πηγή άνθρακα και πέντε από αυτά τα στελέχη που αναπτύχθηκαν σε αυτό το υπόστρωμα εμβολιάστηκαν στο δευτερογενές τυρόγαλα (SCW). Όλα αυτά τα στελέχη αναπτύχθηκαν στο δευτερογενές τυρόγαλα, παράγοντας κυρίως βιομάζα, μικροβιακά λιπίδια αλλά και μεταβολίτες υψηλού ενδιαφέροντος, όπως πολυσακχαρίτες. Στο υπόστρωμα αυτό, το στέλεχος Cryptococcus curvatus ATCC 20509 παρήγαγε την υψηλότερη ολική ξηρή βιομάζα (T.D.W.) (22,7 g/L), η οποία περιείχε 3,4 g/L ενδοκυτταρικών λιπιδίων, ακολουθούμενο από το Cryptococcus curvatus NRRL Y-1511, με ξηρή βιομάζα 16,9 g/L και συσσωρευμένα λιπίδια 2,3 g/L. Ένα νέο, μη εκτεταμένα μελετημένο στέλεχος, το Papiliotrema laurentii NRRL Y-2536, παρήγαγε σημαντική ποσότητα T.D.W. (20,4 g/L), κυρίως λόγω έκκρισης εξωπολυσακχαριτών στην εξωκυτταρική κάψουλα, που περιβάλει τα κύτταρα. Οι υψηλότερες παραγωγικότητες ξηρής βιομάζας και ενδοκυτταρικού λίπους, 0,23 g/L/h και 0,04 g/L/h αντίστοιχα, καταγράφηκαν για το στέλεχος Cryptococcus curvatus ATCC 20509. Τα κυτταρικά λιπίδια όλων των μικροοργανισμών, περιέχουν σε μεταβλητές ποσότητες τα λιπαρά οξέα Δ9C18:1, C16:0, C18:0 και Δ9,12C18:2, αποτελώντας ιδανικά υποστρώματα για τη σύνθεση βιοντίζελ «2ης γενιάς».

The rapid increase in waste generation worldwide, is forcing the scientific community and society to find sustainable solutions, primarily reducing the volume of the produced residues and, consequently, utilizing these materials under eco-friendly processes. The reduction of wastes in combination with their utilization for the production of new products of added value or biogas benefits both the environment and the economy. The dairy and cheese-making industry have always been pillars of the Greek economy, with a variety of products, widely accepted. Cheese-making practice, however, leads to the production of cheese whey, a by-product with a very high organic load. Various ways of reducing the pollutant load, such as the aerobic treatment, the anaerobic digestion, the usage as feed, the filtration to separate whey protein concentrates and lactose fractions, and the cultivation of useful microorganisms into the lactose fraction, in order to produce added-value metabolites (i.e. single-cell biomass, single-cell oil, organic acids, etc) have been reported in the literature. The cultivation of oleaginous yeasts in various agro-industrial residues and the subsequent production of microbial lipids, which can be used as starting materials for the synthesis of both “2nd generation” biodiesel and various types of oleochemicals, is considered as one of the most important approaches of the Microbial Biotechnology, in terms of circular economy, green growth and sustainable development. In this study, 8 yeast strains were evaluated for their growth on a defined substrate, with lactose as a carbon source, and five of these strains grown on this substrate were inoculated into the complex substrate, second cheese whey. All of these strains were grown in second cheese whey, producing mainly yeast biomass, microbial lipids but also interesting metabolites such as polysaccharides. The strain Cryptococcus curvatus ATCC 20509 produced the highest total dry weight (T.D.W.) (=22.7 g/L; in second cheese whey cultivation) that contained 3.4 g/L of cellular lipids, followed by Cryptococcus curvatus NRRL Y-1511, which produced 16.9 g/L of T.D.W. containing 2.3 g/L of lipids. A new, not extensively utilized in the literature, strain namely Papiliotrema laurentii NRRL Y-2536, produced significant quantities of T.D.W. (20.4 g/L) and also, interestingly, secreted quantities of exopolysaccharides. The highest T.D.W. and lipid productivity, 0.23 g/L/h (one of the highest in literature) and 0.04 g/L/h respectively, were recorded for the strain Cryptococcus curvatus ATCC 20509. Cellular lipids of all microorganisms contained in variable quantities the fatty acids Δ9C18:1, C16:0, C18:0 and Δ9,12C18:2, constituting perfect candidates for the synthesis of 2nd generation biodiesel.