Solid-state fermentation to obtain bioactive compounds from winery, brewery, and olive mill by-products

Abstract

As indústrias agroalimentares enfrentam o desafio de encontrar soluções para a aplicação dos seus subprodutos seguindo o conceito de economia circular. Portugal tem uma produção significativa de vinho, azeite e cerveja, pelo que o desenvolvimento de estratégias para valorizar conjuntamente estes subprodutos poderá ser de grande valor. Muitos subprodutos agroindustriais são excelentes fontes de antioxidantes naturais, como os compostos fenólicos. Neste trabalho, a fermentação em substrato sólido foi aplicada como uma tecnologia verde que pode utilizar diretamente estes subprodutos sem a necessidade de pré-tratamento. Visa produzir enzimas com interesse industrial como enzimas lignocelulolíticas e simultaneamente libertar compostos antioxidantes. Primeiramente, bagaço de uva e azeitona e grãos de cerveja (BSG) foram utilizados como substratos na fermentação em substrato sólido (SSF). A SSF por Aspergillus niger provou ser um processo ecologicamente correto que pode melhorar a extração de compostos antioxidantes e simultaneamente produzir enzimas lignocelulolíticas a partir de diferentes subprodutos agroindustriais. A SSF da mistura de BSG com bagaço de azeitona produziu os maiores valores de atividade enzimática. A atividade antioxidante máxima foi observada após um período de fermentação de um dia, exibindo um aumento de 2,3 vezes em comparação com os resíduos não fermentados. Além disso, o estudo investigou tratamentos enzimáticos utilizando extratos brutos obtidos através da SSF, mostrando que nesses extratos, particularmente a β-glucosidase e a celulase, são estáveis e eficazes na libertação de compostos antioxidantes de subprodutos agroindustriais. Foi possível melhorar as atividades enzimáticas usando biorreatores de tambor rotativo em comparação aos resultados obtidos em frascos ou sistemas de bandeja, enfatizando a importância da agitação e arejamento para a produção de enzimas lignocelulósicas e atividade antioxidante. Concluindo, a fermentação em substrato sólido demonstra ser uma abordagem inovadora e ecologicamente correta para a extração de compostos antioxidantes e produção de enzimas lignocelulósicas a partir de subprodutos agroindustriais. Esta tecnologia oferece uma solução circular para os desafios enfrentados pela indústria agroalimentar.

Agro-food industries face the challenge of finding application solutions to their by-products following the circular economy concept. Portugal has significant production of wine, olive oil, and beer, so developing strategies to valorize their by-products jointly could be of great value to the agri-food industry. Many agroindustrial by-products are excellent sources of natural antioxidants, such as phenolic compounds. In this work, solid-state fermentation (SSF) was applied as a green technology that can directly use these byproducts without the need of pre-treatments. This aims to produce enzymes with industrial interest such as lignocellulolytic enzymes and simultaneously liberate antioxidant compounds. Firstly, grape and olive pomaces, and brewery spent grain (BSG) were used as substrates in solid-state fermentation. SSF by Aspergillus niger proved to be an environmentally friendly process that can improve the extraction of antioxidant compounds and simultaneously to produce lignocellulolytic enzymes from different agro-industrial by-products. SSF of the mixture of BSG with olive pomaces produced the highest enzymatic activity values. The maximum antioxidant activity was observed following a fermentation period of one day, exhibiting a 2.3-fold increase compared to the unfermented by-products. Additionally, the study investigated enzymatic treatments using crude enzymatic extracts obtained through SSF, showing that in these extracts, particularly β-glucosidase and cellulase, are stable and effective in liberating antioxidant compounds from winery, olive mill, and brewery by-products. Scaling up the SSF process using rotating drum bioreactors demonstrated improved enzyme activities compared to flasks or tray systems, emphasizing the importance of stirring and aeration for lignocellulosic enzyme production and antioxidant activity. In conclusion, solid-state fermentation proves to be an innovative and environmentally friendly approach for extracting antioxidant compounds and producing lignocellulosic enzymes from agro-industrial byproducts. These technologies offer a circular solution to the challenges faced by the agro-food industry in managing and extracting value from their by-products efficiently.