Agro-industrial wastes up-grading by solid state fermentation for bioactive compounds production

Abstract

A indústria de óleos vegetais tem um papel preponderante nos mercados mundiais devido à importância na alimentação humana e bioenergia e gera grandes quantidades de subprodutos, os bagaços de oleaginosas (BO). Os BO são utilizados principalmente em rações para animais e apresentam diversas características que os tornam substratos adequados para serem utilizados em processos biotecnológicos, para a obtenção de compostos de valor acrescentado. Neste trabalho estudou-se a fermentação em estado sólido (FES) por três espécies de fungos filamentosos, utilizando o bagaço de girassol (SFC), o bagaço de colza (RSC) e bagaço de soja (SBC). Aspergillus niger foi identificado como o fungo que contribuiu para uma maior produção de enzimas e aumento da capacidade antioxidante dos extratos aquosos de BO fermentados, tendo sido selecionado para estudos posteriores de otimização. Apesar do maior potencial demonstrado por A. niger, foi estudado o efeito da utilização de consórcios fúngicos, na valorização de SFC e RSC por SSF. O consórcio das espécies, Aspergillus ibericus e Rizophus oryzae, levou à maior produção enzimática de celulase, xilanase e β-glucosidade. Misturas de RSC e SBC e dos três BO em partes iguais maximizaram a produção enzimática quando fermentados com A. niger (299 U g-1 celulase, 1476 U g-1 xilanase, 191 U g-1 β-glucosidase e 220 U g-1 protease). Os resultados obtidos foram reproduzidos com sucesso em reator de tipo bandeja com uma quantidade de substrato até 40 vezes superior. A FES levou a um aumento do conteúdo em proteína bruta, redução da concentração de fibras e de fatores antinutricionais aumentando os coeficientes de digestibilidade. Contudo, também afetou a qualidade da proteína. Após FES verificou-se o aumento do potencial antioxidante dos extratos fermentados em relação aos não fermentados, bem como a diminuição da concentração inibitória mínima contra algumas bactérias, maior inibição do crescimento de fungos fitopatogénicos, e alguns extratos apresentaram efeitos de mitigação de danos da levedura Schizosaccharomyces pombe na presença de camptotecina ou bisfenol A. De uma forma geral, os resultados demonstraram o potencial dos BO como substrato para FES, aumentando o seu valor nutricional e produção de compostos bioativos relevantes, com aplicações em indústrias como a alimentar, animal, cosmética ou farmacêutica.

The vegetable oils industry plays a leading role in world markets due to its importance in human nutrition and bioenergy and generates large amounts of by-products, oilseed cakes (OC). OC are mainly used in animal feed and have several characteristics that make them suitable substrates to be used in biotechnological processes to obtain value-added compounds. In this work, three species of filamentous fungi were studied in solid-state fermentation (SSF) experiments, using the main OC produced globally, namely sunflower cake (SFC), rapeseed cake (RSC) and soybean cake (SBC) Aspergillus niger was identified as the fungus that contributed to a greater enzyme production and increased antioxidant capacity of fermented OC aqueous extracts and was selected for further optimization studies. Despite the greater potential demonstrated by A. niger, the effect of using fungal consortia was studied for the valorization of SFC and RSC by SSF. The consortium of species, Aspergillus ibericus and Rizophus oryzae, led to a greater enzymatic production of cellulase, xylanase and β-glucosidase. Mixtures of RSC and SBC and the three OC in equal parts maximized enzyme production when fermented with A. niger (299 U g-1 cellulase, 1476 U g-1 xylanase, 191 U g-1 β- glucosidase and 220 U g-1 protease). The results obtained were successfully reproduced in a tray-type reactor with an amount of substrate up to 40 times higher. SSF led to an increase in the crude protein content, a reduction in the concentration of fibers and antinutritional factors and increase of the digestibility coefficients. However, it also affected protein quality. After SSF, there was an increase in the antioxidant potential of the fermented extracts compared to the non-fermented ones, as well as a decrease in the minimum inhibitory concentration against some pathogenic bacteria, greater inhibition of the growth of phytopathogenic fungi, and some extracts showed mitigation effects in the damage of the yeast Schizosaccharomyces pombe when in the presence of camptothecin or bisphenol A. In general, the results demonstrated the potential of OC as a substrate for SSF, increasing its nutritional value and production of relevant bioactive compounds, with applications in industries such as food, animal, cosmetics or pharmaceutica.