Exploring Yarrowia species as cellular platforms for developing circular economy in agro-food industries of vegetable oils production

Abstract

As plantas oleaginosas são cultivadas para obtenção de óleos vegetais e do processo de extração destes óleos resultam grandes quantidades de subprodutos, designados de bagaços de oleaginosas, que geralmente são usados como alimento animal ou para a produção de energia. No entanto, dadas algumas limitações destas aplicações, o desenvolvimento de novas estratégias de valorização destes subprodutos é de extrema relevância, nomeadamente através de processos biotecnológicos que envolvem a produção de compostos de valor acrescentado. Neste trabalho, foi estudado o potencial de valorização de bagaços de girassol, colza e azeitona através do seu uso como substratos para a produção de enzimas por espécies de Yarrowia em fermentação em estado sólido (FES). Inicialmente, foi usado um desenho experimental simplex-centroid para identificar a mistura ótima para a produção de lipase e protease pela Y. lipolytica W29 através de FES. Uma atividade máxima de lipase de (102 ± 17) U/g foi obtida com uma mistura de partes iguais em massa de bagaço de girassol e azeitona e, em contraste, uma mistura dos três bagaços maximiza a atividade de protease num valor de (63 ± 3) U/g. Seguidamente, foram testados vários pré-tratamentos biológicos e físicos aos substratos antes da FES com Y. lipolytica W29 para a produção de lipase. Os resultados mais promissores foram obtidos com a radiação micro-ondas, que aumentou a atividade da lipase e o crescimento da levedura em 17% e 44%, respetivamente, em comparação com a mistura não tratada. O aumento de escala das condições ótimas para a produção de lipase foi realizado, aumentando até 40 vezes a quantidade de substrato utilizado e recorrendo a diferentes tipos de biorreatores usados em FES. A atividade de lipase mais elevada foi obtida em reatores do tipo tabuleiro, sendo que a disponibilidade de oxigénio teve um papel relevante na produção da enzima. Por outro lado, a utilização de um biorreactor de tambor horizontal com agitação e arejamento, resultou num atraso no pico da lipase e melhorou significativamente o crescimento da levedura. Sendo o bagaço de azeitona um dos bagaços sem aplicação estabelecida quer económica quer ambientalmente, foram estudadas outras estratégias para a valorização. Pré-tratamentos hidrotérmicos e com líquidos iónicos resultaram em alterações na composição do bagaço, aumentando a libertação de açucares durante a hidrólise enzimática comparado com o material não tratado. Yarrowia lipolytica W29 foi capaz de crescer nos hidrolisados, resultando na produção de biomassa de levedura com valor máximo de 10 g/L. Esta biomassa tem aplicações como alimento, dado que Y. lipolytica tem uma elevada percentagem de proteína que pode chegar aos 45% e está aprovada como segura para alimentação humana.

Oilseed crops are cultivated for the production of vegetable oils and the extraction of these oils results in the production of high volumes of by-products, designated as oil cakes, which are generally used for animal feed or energy production. Since the current applications are associated with some limitations, development of new strategies for oil cakes valorization is highly relevant, namely through biotechnological processes for value-added compounds production. In the present work, the potential of sunflower, rapeseed and olive cakes valorization was studied through their use as substrates in solid state fermentation (SSF) for enzyme production by Yarrowia species. Firstly, a simplex-centroid experimental design was used to identify the optimum substrate mixture for lipase and protease production by Y. lipolytica W29 in SSF. Maximum lipase activity of (102 ± 17) U/g was attained with equal parts of sunflower and olive cakes and, on the other hand, a mixture of the three oil cakes led to a maximum protease production of (63 ± 3) U/g. Then, several biological and physical pretreatments were tested before SSF with Y. lipolytica W29 for lipase production. The most promising results were obtained with microwave irradiation, which increased lipase activity and yeast growth in 17% and 44%, respectively, compared to SSF with the untreated substrate. Scale-up of the optimum conditions for lipase production was performed with different substrate loadings (increasing up to 40-fold) and bioreactor designs used in SSF. Higher lipase activity was achieved in tray bioreactors and oxygen availability played a major role in the production of this enzyme. Conversely, the use of a horizontal drum bioreactor with agitation and forced aeration resulted in a delay on the lipase peak and significantly improved yeast growth. Since olive cakes are considered by-products without an established economical or environmental application, other valorization strategies were further studied. Hydrothermal and ionic liquids pretreatments resulted in changes in the composition of the oil cake and, consequently, increased sugar release during enzymatic hydrolysis compared to the untreated material. Yarrowia lipolytica W29 was able to grow in the hydrolysates, essentially resulting in yeast biomass production, reaching a maximum value of 10 g/L. This biomass has applications as a food ingredient since Y. lipolytica as a high protein content that can reach 45% and this yeast is considered safe for human consumption.