Bioprocessing by solid-state fermentation of underexplored agro-Industrial by-products for their valorisation

Abstract

Todos os anos são produzidas grandes quantidades de subprodutos agroindustriais que acabam por ser descartados ou utilizados em aplicações de baixo valor. Contudo, estes podem ser valorizados por fermentação em estado sólido (FES) para a produção de enzimas, com várias aplicações industriais, como a alimentar, na produção de biocombustíveis, em aplicações farmacêuticas, em rações animais e na indústria têxtil são utilizadas nas etapas de desengomagem e lavagem dos tecidos e acabamento das calças de ganga. Neste trabalho foram utilizados os subprodutos dreche, casca de arroz e poda de videira para a produção de enzimas (xilanase, celulase, β-glucosidase e amílase) por FES com Aspergillus niger CECT 2088. Foi observado um efeito positivo da suplementação do meio com 2 % (p/p) (NH4)2SO4 e 1 % (p/p) K2HPO4, que conduziu a um aumento de 2 a 10 vezes da produção de enzimas utilizando casca de arroz e dreche. Nas fermentações realizadas com diferentes tamanhos de partículas (1, 4 e 10 mm) de cada subproduto, foram obtidas atividades enzimáticas mais elevadas com o tamanho de partícula de 10 mm de dreche e casca de arroz, e com 4 mm de poda de videira. Através de um planeamento experimental simplex – centroide procedeu-se à otimização de misturas dos substratos para a produção de enzimas. Foi possível verificar que a atividade enzimática ótima para a xilanase (651 U/g), β-glucosidase (363 U/g), celulase (189 U/g) foi obtida usando 100 % (p/p) de dreche, e que a atividade ótima para a amilase (263 U/g) foi obtida usando uma mistura 72 % (p/p) de dreche com 28 % (p/p) de casca de arroz. A monitorização da cinética de produção das enzimas por FES durante 14 dias, permitiu observar que a atividade enzimática máxima da xilanase foi conseguida ao 5º dia, e ao fim ao 10º dia para a celulase, amilase, e β-glucosidase. Os resultados deste trabalho indicam que o bioprocessamento de dreche, casca de arroz e poda de videira por FES é uma abordagem eficaz e sustentável para a produção de enzimas de interesse para a indústria têxtil, contribuindo para impulsionar a economia circular neste setor.

Large quantities of agro-industrial by-products are produced every year and end up being discarded, or used in low-value applications. However, lignocellulosic by-products can be valorised by solid state fermentation (SSF) to produce enzymes with various industrial applications, such as in the food industry, biofuel production, pharmaceutical applications, animal feed and in the textile industry, where they are used across various stages of textile processing. In this work, the by-products brewer’s spent grain (BSG), rice husk (RH), vine shoot trimmings (VST), were used to produce the enzymes xylanase, cellulase, β-glucosidase, and amylase, by SSF with Aspergillus niger CECT 2088. The granulometry of the by-product, initial humidity content, and supplementation with nitrogen and phosphorus sources were factors studied with impact on SSF. A positive effect was observed of adding to the medium 2 % (w/w) (NH4)2SO4 and 1 % (w/w) K2HPO4, which led to a 2 to 10-fold increase in enzyme production using RH and BSG. In SSF carried out with different particle sizes of 1, 4 and 10 mm of each by-product, supplemented with 2 % (w/w) (NH4)2SO4 and 1 % (w/w) K2HPO4, the highest enzymatic activities were obtained with 10 mm of BSG and RH, and with 4 mm of VST. A simplex-centroid mixture design was used to optimise the substrate mixtures to produce enzymes. The optimum enzymatic activity for xylanase (651 U/g), β-glucosidase (363 U/g), and cellulase (189 U/g) was obtained using 100 % (w/w) BSG and the optimum activity for amylase (263 U/g) was obtained using a mixture of 72 % (w/w) BSG and 28 % (w/w) RH. The kinetics of enzyme production by SSF was monitored for 14 days and It was found that the maximum enzymatic activity of xylanase was obtained on day 5, while maximum activity of cellulase, amylase, and β-glucosidase was reached after 10 days of SSF. The results obtained indicate that the bioprocessing of BSG, RH, and VST by SSF is an effective and sustainable approach for the production of enzymes of interest to the textile industry, helping to boost the circular economy in this sector.