Contribution on cellulose nano-biotechnology for food bioprocessing
Authors: Kumar Mrinal Nishant 
Published: August 2021

Η ανάγκη για καινοτόμες τεχνολογίες στον τομέα της επεξεργασίας τροφίμων και των ζυμώσεων έχει επικεντρώσει το ενδιαφέρον στη χρήση ανανεώσιμων μη επεξεργασμένων πρώτων υλών χαμηλού κόστους. Ο φλοιός ρυζιού και το πριονίδι ξύλου αποτελούν λιγνοκυτταρινούχα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καινοτόμα βιοδιασπώμενα μικρο/νανο-πορώδη κυτταρινούχα υλικά (ΠΚΥ). Μετά από απολιγνινοποίηση, τα ΠΚΥ μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε αυτούσια ή σε συνδυασμό με μικροβιακά βιοπολυμερή όπως το πολυγαλακτικό (PLA) και το πολυ-υδροξυ-βουτυρικό οξύ (PHB), για το σχεδιασμό βιοκαταλυτών στα πλαίσια βιοδιεργασιών τροφίμων. Συγκεκριμένα, στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν ΠΚΥ από πριονίδι ξύλου των δέντρων Mangifera indica (δέντρο μάνγκο), Shorea robusta (δέντρο Σάλ), και των φλοιών του Oryza sativa (ρύζι) ινδικής προέλευσης. Έγινε απομάκρυνση της λιγνίνης από το κυτταρινούχο υλικό με τη χρήση αλκαλικού διαλύματος. Προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας, η περιεκτικότητα της λιγνίνης και άλλων χημικών συστατικών με στόχο την ανάδειξη των δομικών και χημικών διαφορών των κυτταρινούχων υλικών πριν και μετά την απολιγνινοποίηση. Η χημική ανάλυση των φύλλων, πριονιδιού και εκχυλίσματος των φλοιών των μάνγκο, σάλ, και ρυζιού περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των συνολικών υδατανθράκων, αναγόντων σακχάρων, αζώτου, πρωτεΐνης, τέφρας, και υγρασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα φύλλα του φυτού σάλ, περιείχαν μεγαλύτερη συγκέντρωση αζώτου, πρωτεΐνης, τέφρας και νερού συγκριτικά με το πριονίδι. Ωστόσο, στην περίπτωση του δέντρου μάνγκο και του ρυζιού, η περιεχόμενη υγρασία ήταν μικρότερη στα φύλλα σε σύγκριση με το πριονίδι και το φλοιό. Η υγρασία του πριονιδιού του μάνγκο και του ρυζιού ήταν υψηλότερη από το σάλ, του οποίου τα φύλλα περιείχαν μεγαλύτερο ποσοστό υγρασίας. Η παρούσα μελέτη θα βοηθήσει στην οργάνωση πρωτοκόλλων για την εκχύλιση φυτικών βιοπολυμερών με μεγάλο πορώδες για εφαρμογές στη νανο/μικρο-βιοτεχνολογία.Στο δεύτερο μέρος, μελετήθηκε η εξανθράκωση των κυτταρινούχων υλικών υπό ροή αζώτου σε διάφορες θερμοκρασίες και χρονική διάρκεια με στόχο την αύξηση της ειδικής τους επιφάνειας. Η μελέτη των υλικών έγινε με αναλύσεις προσρόφησης-εκρόφησης αζώτου (ΒΕΤ), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA/DTA) και παρατήρηση σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις φασματοσκοπίας υπερύθρου-μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) για την ποιοτική ανάλυση των απολιγνινοποιημένων και εξανθρακωμένων ΠΚΥ. Η παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έδειξε την παρουσία σωληνωτής δομής με διάμετρο της τάξης 60-100 µm και 20-100 µm για τα ανεπεξέργαστα και εξανθρακωμένα υλικα αντίστοιχα. Η θερμοσταθμική ανάλυση έδειξε ότι η μεγαλύτερη μεταβολή της μάζας των ΠΚΥ ινδικής προέλευσης έγινε στους 350oC. Η ειδική επιφάνεια και η διάμετρος των πόρων των εξανθρακωμένων υλικών ήταν 3-4 φορές μεγαλύτερη απ’ ότι στα ΠΚΥ. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας παρουσίασε διακυμάνσεις μεταξύ των ανεπεξέργαστων και των εξανθρακωμένων ΠΚΥ. Η φασματοσκοπία υπερύθρου έγινε για την ανάλυση της μεταβολής της χημικής δομής των υλικών μετά την απολιγνινοποίηση και την εξανθράκωση, μέσω της ταυτοποίησης των δομικών ομάδων. Τα φάσματα FT-IR παρουσίασαν πληροφορίες για την δομή και τα μοριακά χαρακτηριστικά των υλικών επιβεβαιώνοντας την απομάκρυνση της λιγνίνης κατά την απολιγνινοποίηση και τις δομικές αλλαγές κατά την εξανθράκωση.Στη συνέχεια, αξιολογήθηκε η χρήση των ΣΚ ως βιοφίλτρα για την ψυχρή παστερίωση πόσιμου νερού (μικροβιακό φορτίο 0.2, 0.5 g/L, μήκος φίλτρου 35 και 45 cm) και αποβουτυρωμένου, ημι-αποβουτυρωμένου γάλακτος (μικροβιακό φορτίο 0.1, 0.2 g/L, μήκος φίλτρου 35 και 45 cm) στους 4oC με ροή 2 L/ημέρα χρησιμοποιώντας περισταλτική αντλία. Η αναγέννηση των φίλτρων έγινε με χρήση ζεστού νερού. Οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιήθηκαν για την επιμόλυνση πόσιμου νερού ήταν ο Lactobacillus bulgaricus και ο Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1, ενώ για το γάλα μόνο ο L. bulgaricus. Τα ΠΚΥ φίλτρα τοποθετήθηκαν σε νάιλον διάτρητο ύφασμα και στη συνέχεια στον βιοαντιδραστήρα με ανοξείδωτα καλύμματα. Στα δείγματα της εισόδου και της εξόδου έγιναν μικροβιολογικές αναλύσεις καθώς και μετρήσεις της οπτικής πυκνότητας στα 600 και 700 nm. Η αποτελεσματικότητα των ΠΚΥ μάνγκο και σάλ ήταν υψηλότερη του φλοιού ρυζιού σε όλες τις περιπτώσεις. Η μικροβιακή απομάκρυνση κυμάνθηκε μεταξύ 80-100% για τον μικροοργανισμό S. cerevisiae και 70-90 % για το βακτήριο L. bulgaricus.Παράλληλα, παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν καινοτόμα βιοδιασπώμενα σύνθετα υλικά αποτελούμενα από ΠΚΥ ινδικής προέλευσης και μικροβιακά πολυμερή (PLA, PHB). Τα μικροβιακά πολυμερή ενθυλακώθηκαν ξεχωριστά σε σφαιρίδια αλγινικού νατρίου. Τα ΠΚΥ επιλέχθηκαν διότι προσδίδουν υψηλή μηχανική αντοχή, υψηλή καθαρότητα και ινώδη δομή. Το PLA είναι ένα χαμηλού κόστους, βιοδιασπώμενο υλικό προερχόμενο από φυσικές πηγές. Αντίθετα, το PHB είναι ακριβότερο και σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει μικρότερη σταθερότητα, χαμηλότερη μηχανική αντοχή και υφίσταται διάσπαση. Τα ΠΚΥ και τα σύνθετα υλικά τους αξιολογήθηκαν ως φορείς ακινητοποίησης κυττάρων L. bulgaricus και S. cereviasiae για γαλακτική και αλκοολική ζύμωση, αντίστοιχα. Και στις δυο περιπτώσεις πραγματοποιήθηκαν επαναλαμβανόμενες παρτίδες ζύμωσης και τα ακινητοποιημένα κύτταρα αποδείχθηκαν πιο αποτελεσματικά σε σχέση με τα ελεύθερα, ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Συγκεκριμένα, κατά τις ζυμώσεις επιτεύχθηκαν μεγαλύτεροι ρυθμοί ζύμωσης, υψηλή παραγωγικότητα τελικών προϊόντων και αρωματικών συστατικών. Τα προϊόντα αναλύθηκαν με GCMS, HPLC και GC. Με βάση τα αποτελέσματα της διατριβής, προωθείται η χρήση σύνθετων και μη βιοκαταλυτών με βάση την πορώδη κυτταρίνη για την ανάπτυξη βιώσιμων και οικονομικών βιοδιεργασιών. Τα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακινητοποίηση διαφορετικών μικροοργανισμών ή ενζύμων (ξεχωριστά στο κάθε υλικό του σύνθετου βιοκαταλύτη) για την διεξαγωγή ποικίλων ειδών ζύμωσης στον ίδιο βιοαντιδραστήρα αποφεύγοντας προβλήματα παρεμπόδισης χημικής ή βιολογικής φύσεως.