Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/28652

TítuloFructooligosaccharides production - ingredients for functional food
Autor(es)Matos, Ana Luísa Dominguez de
Orientador(es)Teixeira, J. A.
Lima, Nelson
Palavras-chaveFructooligosaccharides
Aureobasidium pullulans
Optimization of the fermentation conditions
Production yield
Productivity
Fructosyltransferase
Fructofuranosidase
Transfructosylation
One-stage fermentation process
Fruto-oligossacáridos
Otimização das condições de fermentação
Rendimento de produção
Produtividade
Frutosiltransferase
Frutofuranosidase
Transfrutosilação
Processo de fermentação numa só etapa
Data23-Out-2013
Resumo(s)This thesis addresses the development and optimization of a fermentation process for the production of fructooligosaccharides (FOS) by fungi. FOS are prebiotics with numerous health benefits within which the improvement of gut microbiota balance can be highlighted, playing a key role in individual health. Conventionally, FOS production is a two-stage process that requires an enzyme production/purification step in order to proceed with the chemical reaction itself. FOS production by fungi in bioreactors in a one-stage process is an emergent alternative, since the use of whole cell as the biocatalyst avoids the need for FOS-producing enzyme purification from the cell extract, thus enabling a more competitive less expensive process. Therefore, the main purpose of this thesis was to develop and optimize a one-stage fermentation process for a more competitive FOS production towards its industrial implementation. Optimization of fermentation conditions to maximize FOS production via sucrose fermentation by Aureobasidium pullulans through response surface methodology, using a compilation of mathematical and statistical techniques, was performed and a significant improvement of the total FOS production yield by using a one-stage process was obtained. Although several microorganisms have been reported to have transfructosylation activity due to fructosyltransferase (FTase) and/or fructofuranosidase (FFase) activities, the search for other fungi with higher transfructosylation activity remains a challenge. By means of a presumptive and indirect colorimetric plate assay developed for the evaluation of transfructosylation activity in fungi, several fungal strains belonging to the Aspergillus and Penicillium species were identified, showing potential as FOSproduction microorganisms. An enzymatic extraction procedure was established to determine the transfructosylation and hydrolyzing activities of the enzymes in the extracellular, intracellular and periplasmic spaces of A. pullulans. Extracellular enzymes were found to have the higher transfructosylation activity, supporting the idea of developing a one-stage FOS production process. Fed-batch sucrose fermentations by A. pullulans with two sucrose feeding profiles (constant feeding and linear feeding) were conducted in order to increase FOS production. A slight increase in FOS production yield was achieved with sucrose linear feeding profile, compared to the batch production process, however FOS productivity decreased significantly. The main advantage to operate in fed-batch mode with a linear feeding profile was shown to be the production of fructofuranosyl nystose (GF4), that can add commercial value to the FOS mixture obtained, since GF4 may exert a prebiotic effect in more distal colonic regions compared with the lower-molecular-weight FOS. The scale-up of the one-stage batch FOS production process from sucrose by A. pullulans, to a semi-pilot scale, was performed. Similar FOS production yield, productivity, composition and kinetics were obtained by a 25 times volume increase scaling up procedure, suggesting that the one-stage batch process has potential to be used at an industrial level. Moreover, based on the process design and economics of an industrial unit built to produce 10.000 tons/year of FOS using the here developed production process, it was demonstrated that lower operational costs can be achieved, when compared to the current two-stage FOS production process. An estimated investment of 20 M€ in a FOS industrial unit can achieve a NPV of 71,5 M€, with a IRR of 45,18 % and ROI of 5 years, presenting itself as a very attractive business opportunity.
Esta tese aborda o desenvolvimento e otimização de um processo de fermentação para a produção de fruto-oligossacáridos (FOS) por fungos. Os FOS são pré-bióticos com inúmeros benefícios para saúde, dos quais se pode destacar o equilíbrio da flora intestinal, desempenhando um papel fundamental na saúde do indivíduo. Convencionalmente, a produção de FOS é um processo em duas etapas, que requer uma etapa de produção/purificação enzimática para que a reação química ocorra. A produção de FOS por fungos em biorreatores, tendo por base um processo de produção por uma só etapa, é uma alternativa emergente, dado que a utilização das células inteiras como biocatalisador evita a purificação das enzimas produtoras de FOS do extrato celular, originando um processo mais competitivo e menos dispendioso. Por esse motivo, o principal objetivo desta tese foi o desenvolvimento e otimização de um processo de fermentação para produção de FOS mais competitivo, numa só etapa, com vista à sua implementação industrial. A otimização das condições de fermentação para maximização da produção de FOS por fermentação de sacarose por Aureobasidium pullulans foi efetuada usando a metodologia de otimização fatorial, com recurso a uma série de ferramentas matemáticas e estatísticas, tendo-se alcançado uma melhoria significativa do rendimento global de produção de FOS por A. pullulans com o processo de produção em uma só etapa. Vários microrganismos são reportados como tendo atividade de transfrutosilação por intermédio das enzimas frutosiltransferase (FTase) e / ou frutofuranosidase (FFase). No entanto, a procura de outros fungos com atividade de transfrutosilação mais elevada permanece um desafio. Através de um ensaio colorimétrico em placa, presuntivo e indireto, desenvolvido para a avaliação da atividade de transfrutosilação em fungos, várias estirpes de fungos dos géneros Aspergillus e Penicillium spp foram identificados como potenciais microrganismos produtores de FOS. Um procedimento de extração enzimática foi estabelecido para determinar as atividades de transfrutosilação e hidrólise das enzimas nos espaços extracelulares, intracelulares e periplasmático de A. pullulans. As enzimas extracelulares demonstraram ter a atividade de transfrutosilação mais elevada, reforçando a ideia do desenvolvimento de um processo de produção numa só etapa. Processos de fermentação semi-contínua de sacarose por A. pullulans, com dois perfis de alimentação (alimentação constante e alimentação linear) foram realizados com a finalidade de aumentar a produção de FOS. Um ligeiro aumento no rendimento de produção de FOS foi conseguido com o perfil de alimentação linear de sacarose, em comparação com o processo de produção descontínuo. No entanto, a produtividade de FOS diminuiu significativamente. A principal vantagem de operar em modo semi-contínuo com um perfil de alimentação linear é produzir frutofuranosil nistose (GF4), que pode incrementar o interesse comercial da mistura de FOS obtida, uma vez que o GF4 pode exercer um efeito pré-biótico em regiões mais distais do cólon, em comparação com os FOS de menor peso molecular. Um aumento de escala no processo de produção de FOS numa só etapa, por fermentação de sacarose por A. pullulans, a uma escala semi-piloto, foi realizado e com um aumento de escala de 25 vezes, foram obtidos semelhantes rendimentos de produção de FOS, composição, produtividade e cinéticas de fermentação, sugerindo que o processo numa só etapa tem potencial para ser usado a um nível industrial. Além disso, com base no processo de conceção e economia de uma unidade industrial para a produção de 10.000 ton/ano de FOS, tendo por base o processo de produção desenvolvido nesta tese, menores custos de operação podem ser obtidos, quando comparados com o atual processo de produção de FOS em duas etapas. Um investimento estimado de 20 M€ numa unidade industrial de FOS pode promover um VAL de 71,5 M €, com uma TIR de 45,18% e um tempo de retorno do investimento de 5 anos, apresentando-se como uma oportunidade de negócio muito atrativa.
TipoTese de doutoramento
DescriçãoTese de doutoramento em Engenharia Química e Biológica
URIhttps://hdl.handle.net/1822/28652
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses

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