Valorisation of brewer’s spent grain for bacterial nanocellulose production and value added products for the development of biodegradable films as food packaging materials for salmon preservation

Abstract

In this study, the waste from the brewing industry was utilized in order to produce biobased and biodegradable food packaging materials through an innovative biorefinery process. Structural carbohydrates (cellulose 16.6%, hemicellulose 21.8%, and oligosaccharides 21.3%), protein (20.5% ± 0.3 w/w) and lignin (9.6% ± 0.2 w/w) fractions were the most important streams arising from the BSG biorefinery. An innovative and sustainable technology namely dielectric barrier discharged non-thermal plasma was used as a pretreatment method, followed by enzymatic hydrolysis. The produced hydrolysate had a concentration of 34.3 g/L sugars, with glucose be the dominant (74.3%) followed by xylose (14.5%) and arabinose (8.1%). The produced hydrolysate was used as nutrient source for the production of bacterial cellulose by Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 in shake flasks, leading to the production of 3.2 g/L bacterial cellulose, with a yield and productivity of 0.08 g/g and 0.21 g/L/day, respectively. The bacterial cellulose produced was further treated with 50% (w/w) H2SO4 in order to produce a bacterial nanocellulose suspension. The residual solids after plasma treatment and enzymatic hydrolysis were rich in protein (24.7%) and lignin (17.0%). This stream was used in order to formulate biobased packaging by different treatments. The selected strategy was to recover a protein-rich fraction (purity 52.8%) by alkaline extraction at 60℃, and subsequently to recover the lignin-rich fraction (148 g from 1000 g initial BSG solids) from the residual solids. The recovered protein fraction was able to form a biobased film by adding 3.5% w/v protein together with glycerol (30%, w/w) and bacterial nanocellulose suspension (10%, w/w). The lignin-rich fraction was used to enrich the antioxidant and light barrier properties by introducing it in the film matrix using three different concentrations (5%, 10%, and 15% w/w) and two different solubilization protocols; lignin solubilization at pH 12.0 and modification of lignin through the antisolvent precipitation method. The produced films had good light barrier (less than 2.3% T600nm) and antioxidant properties (more than 39.8% DPPH inhibition). The produced films named Protein, Pr5L, and Pr5LP were compared to PVC films for its substitution at salmon fillets packaging. For the shelf-life analysis, microbial growth and sensory analysis were conducted. Due to the high starting microbial load, the self-life of salmon was estimated at 2 days, no matter the film used. The sensory analysis of total appearance resulted not to statistically significant differences between the samples until day 7.

Στην παρούσα μελέτη, τα απόβλητα από τη βιομηχανία ζυθοποιίας αξιοποιήθηκαν για την παραγωγή βιοαποικοδομήσιμων υλικών συσκευασίας τροφίμων μέσω μιας καινοτόμου διαδικασίας βιοδιυλιστηρίου. Τα κλάσματα δομικών υδατανθράκων (κυτταρίνη 16.6%, ημικυτταρίνη 21.8% και ολιγοσακχαρίτες 21.3%), πρωτεΐνες (20.5% ± 0.3 w/w) και λιγνίνη (9.6% ± 0.2 w/w) ήταν τα πιο σημαντικά ρεύματα που προέκυψαν από το βιοδιυληστήριο του BSG. Ως μέθοδος προεπεξεργασίας του στερεού χρησιμοποιήθηκε μια καινοτόμος και βιώσιμη τεχνολογία, το μη θερμικό πλάσμα με εκκένωση διηλεκτρικού φραγμού, ακολουθούμενη από ενζυμική υδρόλυση. Το παραγόμενο υδρόλυμα είχε συγκέντρωση σακχάρων 34.3 g/L, με κυρίαρχη τη γλυκόζη (74.3%) ακολουθούμενη από ξυλόζη (14.5%) και αραβινόζη (8.1%). Το παραγόμενο υδρόλυμα χρησιμοποιήθηκε ως πηγή ενέργειας για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης από τον μικροοργανισμό Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 σε κωνικές φιάλες, οδηγώντας στην παραγωγή 3.2 g/L βακτηριακής κυτταρίνης, με απόδοση και παραγωγικότητα 0.08 g/g και 0.21 g/L. /ημέρα, αντίστοιχα. Η βακτηριακή κυτταρίνη που παρήχθη υποβλήθηκε σε περαιτέρω επεξεργασία με 50% (w/w) H2SO4 προκειμένου να παραχθεί ένα εναιώρημα βακτηριακής νανοκυτταρίνης. Τα υπολειπόμενα στερεά μετά την επεξεργασία πλάσματος και την ενζυμική υδρόλυση ήταν πλούσια σε πρωτεΐνη (24.7%) και λιγνίνη (17.0%). Αυτό το ρεύμα χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία συσκευασίας με διαφορετικές επεξεργασίες. Η επιλεγμένη στρατηγική ήταν η ανάκτηση ενός πλούσιου σε πρωτεΐνη κλάσματος (καθαρότητα 52.8%) με αλκαλική εκχύλιση στους 60℃, και στη συνέχεια η ανάκτηση του πλούσιου σε λιγνίνη κλάσματος (148 g από 1000 g αρχικών στερεών BSG) από τα υπολειμματικά στερεά. Το ανακτηθέν κλάσμα πρωτεΐνης μπόρεσε να σχηματίσει ένα φιλμ βιολογικής βάσης, προσθέτοντας 3.5% w/v πρωτεΐνη μαζί με γλυκερίνη (30% w/w) και εναιώρημα βακτηριακής νανοκυτταρίνης (10% w/w). Το πλούσιο σε λιγνίνη κλάσμα χρησιμοποιήθηκε για να εμπλουτίσει τις αντιοξειδωτικές ιδιότητες και τις ιδιότητες φραγμού φωτός εισάγοντάς το στη μήτρα χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις (5%, 10% και 15% w/w) και δύο διαφορετικά πρωτόκολλα διαλυτοποίησης. Το πρώτο πρωτόκολλο αφορούσε τη διαλυτοποίηση λιγνίνης σε pH 12.0 και το άλλο πρωτόκολλο αφορούσε την τροποποίηση λιγνίνης μέσω της μεθόδου καταβύθισης με antisolvent. Τα παραγόμενα φιλμ είχαν καλό φραγμό φωτός (λιγότερο από 2.3% T600nm) και αντιοξειδωτικές ιδιότητες (περισσότερο από 39.8% αναστολή του DPPH). Οι παραγόμενες μεμβράνες που ονομάστηκαν Protein, Pr5L και Pr5LP συγκρίθηκαν με μεμβράνες PVC για την αντικατάστασή τους στη συσκευασία φιλέτων σολομού. Για την ανάλυση του χρόνου αποθήκευσης, διεξήχθη μικροβιολογικός έλεγχος και οργανοληπτική αξιολόγηση. Λόγω του υψηλού αρχικού μικροβιακού φορτίου, η διάρκεια ζωής του σολομού υπολογίστηκε σε 2 ημέρες, ανεξάρτητα από το φιλμ που χρησιμοποιήθηκε. Η οργανοληπτική αξιολόγηση της συνολικής εμφάνισης οδήγησε σε μη στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων μέχρι την 7η ημέρα.