Αξιοποίηση υποπροϊόντων οινοποιείου προς παραγωγή μικροβιακής πρωτεΐνης με χρήση ζυμών

Abstract

Η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για βιώσιμες και εναλλακτικές πηγές πρωτεΐνης, σε συνδυασμό με τις παγκόσμιες περιβαλλοντικές προκλήσεις, καθιστούν την μικροβιακή πρωτεΐνη ως καινοτόμο και πολλά υποσχόμενη λύση στο πλαίσιο της κυκλικής βιοοικονομίας. Η παρούσα μελέτη, επικεντρώθηκε στην παραγωγή μικροβιακής πρωτεΐνης, μέσω αξιοποίησης κλασμάτων προερχόμενων από οινολάσπη ερυθρής οινοποίησης, ως εναλλακτική πηγή άνθρακα. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογήθηκαν οι ζυμομύκητες K. marxianus και S. cerevisiae, ως προς την ικανότητά τους να αναπτύσσονται σε καλλιέργειες που περιείχαν εμπορικές πηγές (αιθανόλη και τρυγικό οξύ), ως μοναδικές πηγές άνθρακα. Η αιθανόλη και το τρυγικό οξύ, αποτελούν συστατικά προερχόμενα από τη διαδικασία της οινοποίησης. Η ικανότητα των δύο ζυμομυκήτων, για την παραγωγή μικροβιακής βιομάζας πλούσια σε πρωτεΐνη, αξιολογήθηκε αρχικά σε ασυνεχείς ζυμώσεις, με χρήση αιθανόλης ως πηγή άνθρακα και θειικού αμμωνίου ως πηγή αζώτου, υπό διαφορετικούς λόγους άνθρακα προς άζωτο (C/N) και άνθρακα προς φώσφορο (C/P), με στόχο τη βελτιστοποίηση της ανάπτυξης των μικροοργανισμών και της σύνθεσης πρωτεΐνης. Στη συνέχεια, οινολάσπη προερχόμενη από διαδικασία οινοποίησης ερυθρού οίνου υποβλήθηκε σε χημική ανάλυση, όπως επίσης και τα δύο επιπρόσθετα κλάσματα, που παραλήφθηκαν μετά από απόσταξη. Τα τρία αυτά κλάσματα μελετήθηκαν ως πηγές άνθρακα σε ασυνεχείς ζυμώσεις, στις βέλτιστες συνθήκες C/N ίσο με 5 και C/P ίσο με 1,7, με σκοπό τη μέγιστη παραγωγή μικροβιακής βιομάζας και πρωτεΐνης. Ακολούθησε ημισυνεχής ζύμωση σε βιοαντιδραστήρα με το αποδοτικότερο στέλεχος ζύμης S. cerevisiae και κλάσμα προερχόμενο από οινολάσπη ως μοναδική πηγή άνθρακα. Ως διάλυμα τροφοδοσίας χρησιμοποιήθηκε το συμπυκνωμένο κλάσμα αιθανόλης, μετά την απόσταξη της οινολάσπης. Η παραγόμενη βιομάζα έφτασε τα 21,3 g/L με 55,6% περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη, 12,6% περιεκτικότητα σε λίπος, ενώ χαμηλότερη περιεκτικότητα εμφανίστηκε σε τέφρα (9,1%), μαννάνες (6,5%) και γλυκάνες (13,5%). Η απόδοση της μικροβιακής πρωτεΐνης έφτασε τα 0,33 g/g με παραγωγικότητα ίση με 0,31 g/(L·h). Η παραγόμενη βιομάζα υποβλήθηκε σε διαδικασία αυτόλυσης, σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (50°C και 55°C) και pH 5, με σκοπό την απελευθέρωση των ενδοκυτταρικών συστατικών. Το αυτόλυμα και η παραγόμενη βιομάζα χαρακτηρίστηκαν ως προς τη χημική τους σύσταση, όπου η συνολική ανάκτηση πρωτεΐνης που επιτεύχθηκε ήταν ίση με 20,5 και 14,9% στους 50°C και 55°C αντίστοιχα.Abstract The increasing demand for sustainable and alternative protein sources, combined with global environmental challenges, highlights microbial protein as an innovative and promising solution within the framework of the circular bioeconomy. The present study focused on the production of microbial protein, through the utilization of red wine lees components, as an alternative carbon source. Specifically, the yeasts K. marxianus and S. cerevisiae were evaluated, in terms of their ability to grow in cultures containing commercial sources (ethanol and tartaric acid), as the only sources of carbon. Ethanol and tartaric acid are ingredients derived from the winemaking process. The ability of the two yeasts to produce protein-rich microbial biomass was initially evaluated in batch fermentations, using ethanol as the carbon source and ammonium sulfate as the nitrogen source, under different carbon-to-nitrogen (C/N) and carbon-to-phosphorus (C/P) ratios, aiming to optimize both microorganism growth and protein synthesis. Subsequently, wine lees from red wine winemaking process were subjected to chemical analysis, as well as the two additional fractions, obtained after distillation. These three fractions were studied as carbon sources in batch fermentations, under the optimal conditions C/N (5) and C/P (1,7), with the aim of maximizing the production of microbial biomass and protein. Fed-batch fermentation in bioreactor was followed of the most efficient strain (S. cerevisiae) and wine lees, as carbon source. The concentrated ethanol fraction was used as a feed solution, after the distillation of wine lees. The biomass produced reached 21.3 g/L with 55.6% protein content, 12.6% lipids content, while lower content appeared in ash (9.1%), mannans (6.5%) and glucans (13.5%). The yield of the microbial protein reached 0.33 g/g with a productivity equal to 0.31 g/(L·h). The produced biomass was subjected to an autolysis process, at two different temperatures (50°C and 55°C) and pH 5, in order to release the intracellular components. The autolysate and the biomass produced were characterized in terms of their chemical composition, where the total protein recovery achieved was equal to 20.5 and 14.9% at 50°C and 55°C respectively.