Bioprocessing of main agro-industrial wastes of Portugal for protein enrichment and lignocellulolytic enzymes production

Abstract

Every year, large amounts of agro-industrial wastes are produced which are the most abundant renewable resources on earth. Economically, these residues can be used as low cost materials for the production of value-added compounds by decreasing production costs. From an environmental point of view, the reuse of this wastes in biotechnological processes can reduce its content in phenolic compounds and other toxic compounds which can deteriorate and degrade the environment when disposed in nature. One possible application for this type of waste is its use as animal feed. Frequently, the agroindustrial wastes are used as animal feed, however many times these wastes have a poor nutritional quality, mainly they have a low protein content and their digestibility is hard. These disadvantages can be avoided by solid-state fermentation (SSF) of the wastes. This study used wastes from the oil industry, the beer industry, and the wine industry. These residues were used as a solid substrate for the production of lignocellulolytic enzymes (cellulases and xylanases), to degrade partially the fibres of wastes and to increase the crude protein content of agroindustrial wastes in study. Firstly, it was performed a screening of the filamentous fungi through the inoculation of three different fungi, A. niger, A. uvarum and A.ibericus with each one of the different residues and it was evaluated the production of cellulases, xylanases, the increase of protein and the variation in lignocellulosic composition of solid. A. ibericus showed the best results in all wastes evaluated, and the SSF allowed to increase the protein content in all wastes. However, the lignocellulosic compounds were degraded in all cases. After selection of the fungi, it was performed an experimental design to evaluate the benefits of using mixtures of wastes in different proportions as solid substrate in SSF by A. ibericus. The optimum substrate was a mixture of brewery spent grain and vine-shoot trimmings which achieved and increase the protein content (16.3 %), xylanase (89.33 U/g), cellulose (3.46 U/g) and β -glucosidase (21.91 U/g) activities. At the end, it was performed a scaled up to a tray bioreactor with 500 of solid substrate. The results obtained were similar to flask experiments except to in cellulose and β -glucosidase activities that were lower. Through this study, it was possible to conclude that the SSF by A. ibericus is a suitable biotechnology process to increase the nutritional quality of agro-industrial wastes and to produce valueadded products as enzymes in the same low-cost process.

Todos os anos, são produzidas grandes quantidades de resíduos agroindustriais e estes são os recursos renováveis mais abundantes na terra. Economicamente, estes resíduos podem ser usados como materiais de baixo custo para a produção de compostos de valor acrescentado, diminuindo os custos de produção. De um ponto de vista ambiental, a reutilização destes resíduos em processos biotecnológicos pode reduzir o seu conteúdo em compostos fenólicos e outros compostos tóxicos que podem deteriorar e degradar o meio ambiente quando descartados na natureza. Uma possível aplicação para este tipo de resíduos é a sua utilização como alimento animal. Frequentemente, os resíduos agroindustriais são utilizados como alimento animal contudo, muitas vezes estes resíduos apresentam baixo qualidade nutricional, a maior parte tem baixo conteúdo proteico e apresentam uma difícil digestibilidade. Estas desvantagens podem ser evitadas através da fermentação em estado sólido (SSF) destes resíduos. Durante este estudo foram utilizados resíduos da indústria da produção de azeite, da indústria de produção de cerveja e da indústria de produção de vinho. Estes resíduos foram utilizados como substrato sólido para a produção de enzimas lignoceluloliticas (celulases e xilanases), para degradar parcialmente as fibras dos resíduos e aumentar o conteúdo em proteína dos resíduos agroindustriais em estudo. Primeiro, foi feita a escolha do fungo a utilizar através da inoculação de três fungos diferentes, Aspergillus niger, A. uvarum e A. ibericus com cada um dos diferentes resíduos e foi avaliada a produção de celulases, xilanases, o aumento da quantidade de proteína e a variação da composição lignocelulósica do sólido. A. ibericus mostrou os melhores resultados em todos os resíduos analisados e a SSF permitiu o aumento de proteína em todos os resíduos. Contudo, os compostos lignocelulósicos foram degradados em todos os casos. Após seleção do fungo, foi realizado um desenho experimental para avaliar os benefícios do uso de culturas mistas de diferentes resíduos em diferentes proporções como substrato sólido para SSF com o A. ibericus. O substrato ótimo foi uma mistura de dreche e podas da vinha que aumentou o conteúdo em proteína (16.3 %) e atividades de xilanase (89.33 U/g), celulose (3.46 U/g) e β-glucosidase (21.91 U/g). No fim, foi realizado um aumento de escala para um reator em tabuleiro com 500 g de substrato sólido. Os resultados obtidos foram semelhantes aos obtidos em Erlenmeyers exceto no caso das celulases e β-glucosidase em que as atividades foram menores. Através deste estudo foi possível concluir que a SSF com A. ibericus é um processo biotecnológico adequado para o aumento da qualidade nutricional dos resíduos agroindustriais e para produzir compostos de valor acrescentado como enzimas com os mesmos baixos custos de produção.