Production of single-cell protein: species selection and optimization of operational conditions

Abstract

O crescimento atual da população mundial está a levar a uma procura insustentável por proteína animal e vegetal. De modo a responder ao desafio de alimentar o mundo, este trabalho focou-se na obtenção de um produto rico em proteína e com valor nutricional, obtido a partir da fermentação em estado sólido (SSF) de cascas de fruta (laranja e banana) por fungos filamentosos. Inicialmente, foram estudados os efeitos de vários fatores (humidade - 60 % e 75 %; tempo de fermentação - 7 dias e 14 dias; tamanho do inóculo - 1×107 esporos/g e 5×107 esporos/g; concentração de sulfato de amónio - 0 g/g e 0.01 g/g; concentração de licor de maceração de milho (CSL) - 0 g/g e 0.01 g/g; e fungo filamentoso - Aspergillus ibericus e Rhizopus oryzae) na composição das cascas de fruta (nomeadamente proteína total, açúcares redutores, fenóis totais e atividade antioxidante) usando um desenho experimental de Plackett-Burman. Observou-se crescimento significativo das 2 espécies nos meios compostos por cascas de laranja e de banana. Para além disso, o conteúdo de proteína total, fenóis totais e atividade antioxidante das cascas de fruta aumentaram após a fermentação com os fungos filamentosos usados. A humidade (50 %, 60 %, 70 %), a concentração de sulfato de amónio (0 g/g, 0.005 g/g, 0.01 g/g) e a concentração de CSL (0 g/g, 0.005 g/g, 0.01 g/g) foram identificados como os fatores mais importantes para aumentar o valor nutricional das cascas de fruta (em particular o teor em proteína total) e foram posteriormente estudados através de um desenho experimental de Box-Behnken. Estes ensaios foram realizados com Aspergillus ibericus (concentração inicial de 5×107 esporos/g) durante 7 dias. O valor máximo de proteína total nas cascas de laranja fermentadas (16.29 %) foi obtido nas condições de 70 % de humidade, 0.005 g/g de sulfato de amónio e sem CSL. O valor máximo de proteína nas cascas de banana (17.67 %) foi obtido nas condições de 70 % de humidade, 0.005 g/g de CSL e sem sulfato de amónio. Por fim, as cascas fermentadas foram caracterizadas quanto ao seu teor em hidratos de carbono, açúcares redutores, fibra bruta, pectina, lípidos totais, minerais e atividade antioxidante. A SSF reduziu o conteúdo de hidratos de carbono, açúcares redutores e pectina das cascas, enquanto aumentou o conteúdo de proteína, fibra, lípidos, minerais, e atividade antioxidante, aumentando assim o seu valor nutricional.

The actual growth of global population is leading to an unsustainable rising demand for animal and plant based protein. To address this challenge, this work focused on the production of a nutritious and protein rich product, obtained by solid-state fermentation (SSF) of orange and banana peels with filamentous fungi. Firstly, the main effect of several factors (moisture content - 60 % and 75 %; fermentation time – 7 days and 14 days; inoculum size - 1×107 spores/g and 5×107 spores/g; concentration of ammonium sulfate - 0 g/g and 0.01 g/g; concentration of corn steep liquor (CSL) - 0 g/g and 0.01 g/g; and fungal species - Aspergillus ibericus and Rhizopus oryzae) on fruit peels composition (specifically, total protein, reducing sugars, total phenols, and antioxidant activity), were studied in SSF by a variable screening Plackett Burman experimental design. A significant growth of both fungal species on orange and banana peels was observed. Additionally, the content of total protein, total phenols, and antioxidant activity increased in fruit peels after SSF with filamentous fungi. Moisture (50 %, 60 %, 70 %), ammonium sufate concentration (0 g/g, 0.005 g/g, 0.01 g/g), and CSL concentration (0 g/g, 0.005 g/g, 0.01 g/g) were considered important factors for upgrading the nutritional value of fruit peels (particularly protein content) and were studied with a Box-Behnken experimental design. These experiments were carried out with Aspergillus ibericus (initial concentration of 5×107 spores/g), for 7 incubation days. The highest protein content of fermented orange peels (16.23 %) was obtained with 70 % moisture content, 0.005 g/g ammonium sulfate, without CSL. For banana peels, the highest content of protein (17.49 %) was obtained with 70 % moisture content, 0.005 g/g CSL, without ammonium sulfate. Finally, the fermented fruit peels were characterized for carbohydrates, reducing sugars, crude fiber, pectin, total lipids, minerals, and antioxidant activity. Carbohydrates, reducing sugars, and pectin content of fruit peels decreased after SSF, while total protein, fiber, lipids, minerals, and antioxidant activities increased, enhancing the nutritional value of orange and banana peels.