Μελέτη της παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης υπό διαφορετικές συνθήκες μικροβιακής ζύμωσης

Abstract

Η κυτταρίνη αποτελεί βασικό συστατικό της φυτικής βιομάζας (PC) καθώς και έναν εκπρόσωπο των μικροβιακών εξωκυτταρικών πολυμερών (BC). Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η παραγωγής της βακτηριακής κυτταρίνης σε διαφορετικές συνθήκες ζύμωσης χρησιμοποιώντας ως θρεπτικό μέσο εμπορικά σάκχαρα όπως η γλυκόζη και συνδυασμός των γλυκόζη-σακχαρόζη-φρουκτόζη, καθώς επίσης και διάφορα παραπροϊόντα ή υποπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκε η επίδραση του pH, του ρυθμού ανάδευσης, του λόγου επιφάνειας προς τον όγκο και τέλος του εμβολίου στην παραγωγικότητα της βακτηριακής κυτταρίνης. Οι ζυμώσεις διαλείποντος έργου διεξήχθησαν με χρήση του βακτηριακού στελέχους Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973. Η βάση όλων των βακτηριακών ζυμώσεων που διήρκησαν 10 ημέρες ήταν το μέσο καλλιέργειας Hestrin-Schramm. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση του pH στην παραγωγή της βακτηριακής κυτταρίνης. Η βακτηριακή κυτταρίνη παρουσίασε τη μεγαλύτερη συγκέντρωση (4 g/L) όταν το pH του θρεπτικού μέσου καλλιέργειας ρυθμιζόταν στην τιμή 6, σε σχέση με τις ζυμώσεις όπου δεν υπήρχε ρύθμιση του pH (2,97 g/L). Σε επόμενη σειρά πειραμάτων εξετάστηκαν τρεις διαφορετικοί ρυθμοί ανάδευσης, ήτοι 180 rpm, 100 rpm και 40 rpm, και οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις βακτηριακής κυτταρίνης που προέκυψαν ήταν 2 g/L, 2,6 g/L και 4 g/L. Ακολούθησαν ζυμώσεις κατά τις οποίες αξιολογήθηκε η επίδραση της επιφάνειας του θρεπτικού μέσου στην οποία βιοσυντίθεται το πολυμερές. Για τον λόγο αυτό, μελετήθηκαν διαφορετικοί λόγοι επιφάνειας προς τον όγκο που καταλαμβάνει το θρεπτικό μέσο. Η μεγαλύτερη παραγωγή (1,88 g/L) εμφανίστηκε σε λόγο επιφάνειας προς όγκο λ=0,5 cm-1, ενώ η μικρότερη (1,04 g/L) σε λόγο λ=0,068 cm-1. Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκαν πειράματα τα οποία διέφεραν ως προς την ποσότητα του εμβολίου. Τα εμβόλια που χρησιμοποιήθηκαν είχαν την μορφή μεμβρανών. Η μεγαλύτερη συγκέντρωση βακτηριακής κυτταρίνης επιτεύχθηκε με την μικρότερη ποσότητα εμβολίου (1,4 g/L). Επίσης, πραγματοποιήθηκε ζύμωση χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα συνδυασμό των σακχάρων γλυκόζη (67 %), σακχαρόζη (7 %) και φρουκτόζη (26 %), με σκοπό να πραγματοποιηθεί προσομοίωση της σύστασης του χυμού του πορτοκαλιού. Ως βάση σύγκρισης και σε αυτή την ζύμωση ήταν το θρεπτικό μέσο Hestrin- Schramm και η τελική συγκέντρωση της βακτηριακής κυτταρίνης ήταν 8,4 g/L. Τέλος, εξετάστηκε η προοπτική αξιοποίησης στερεών αμυλοπρωτεϊνούχων αποβλήτων της βιομηχανίας παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής ως ένα πλήρες θρεπτικό μέσο για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης. Για την υδρόλυση του αμύλου και των πρωτεϊνών χρησιμοποιήθηκαν ένζυμα που παρήχθησαν μέσω της ζύμωσης στερεής κατάστασης του μύκητα Aspergillus awamori. Η τελική συγκέντρωση βακτηριακής κυτταρίνης που επιτεύχθηκε ήταν 4,6 g/L. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις σε θρεπτικό υπόστρωμα που περιείχε χυμό από πορτοκάλι όπου η τελική συγκέντρωση βακτηριακής κυτταρίνης ήταν 13,4 g/L.

Cellulose is the most abundant biopolymer on earth, recognized as the major component of plant biomass, but also a representative member of extracellular polysaccharides produced via microbial fermentation. In the present study, the production of bacterial cellulose was investigated in different fermentation conditions using commercial sugars, such as glucose, and various combinations of glucose-sucrose-fructose, as well as various wastes and by-product streams derived by the food industry as a sole source of nutrients. Specifically, it was evaluated the influence of pH, agitation rate, surface to volume ratio and finally the effect of inoculum in the production of bacterial cellulose. Batch fermentations were carried out with the bacterial strain Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973. The basis of all bacterial fermentations, which lasted 10 days, was the Hestrin-Schramm medium. Initially, the effect of the pH value in the production of bacterial cellulose was investigated. Bacterial cellulose reached the highest concentration (4 g/L) when the pH of the culture medium was adjusted to the optimum value (pH 6), while lower concentration was produced when no pH adjustment was employed (2.97 g/L). In the next set of experiments, three different agitation rates of 180 rpm, 100 rpm and 40 rpm were evaluated leading to bacterial cellulose concentrations of 2 g/L, 2.6 g/L and 4 g/L, respectively. Subsequent fermentations evaluated the effect of the ratio of surface to volume of the fermentation medium used. The highest production of bacterial cellulose (1.87 g/L) was achieved at a ratio λ = 0.5 cm-1, while the lowest concentration of bacterial cellulose (1.04 g/L) was achieved at a ratio of λ = 0.068 cm-1. Furthermore, several experiments were performed with varying inoculums addition in the form of bacterial cellulose membranes. Three series of experiments were carried out with one, two and three additions of equal quantity of bacterial cellulose membranes. The highest concentration of bacterial cellulose (1.4 g/L) was obtained when the lowest quantity of inoculum was employed. A fermentation with a combination of sugars in the range of glucose (67 %), sucrose (7 %) and fructose (26 %) as carbon source was studied in order to simulate the utilization of orange juice as fermentation medium. The basis of this bacterial fermentation was the Hestrin- Schramm medium and the final concentration of the bacterial cellulose was 8.4 g/L. Finally, the perspective of utilizing renewable raw materials and by-product streams produced by the food industry as sole fermentation media for the production of bacterial cellulose was evaluated. More particularly, starch-based solid wastes generated by a confectionery industry were used as carbon and nutrient sources for the production of bacterial cellulose. These waste streams were enzymatically hydrolysed into fermentation media using crude enzymes produced via solid state fermentation using the fungal strain Aspergillus awamori. The final concentration of the bacterial cellulose obtained was 4.6 g/L. Bacterial fermentations were also conducted using orange juice as a nutrient medium. The concentration of the bacterial cellulose achieved was 13.4 g/L.