Προϊόντα προστιθέμενης αξίας με βάση την μονοκυτταρική πρωτεΐνη από βιοτεχνολογική αξιοποίηση μικτών αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων
Authors: Αγγελόπουλος Θεόδωρος 
Published: September 2021

Στόχος της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας βιοτεχνολογικής αξιοποίησης μικτών στερεών και υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων (ζύθου, γάλακτος, ζάχαρης), μαζικής εστίασης ή χωματερών για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Συγκεκριμένα τα απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι φλοιοί και τα ριζίδια βύνης (BSG και MSR αντίστοιχα), το τυρόγαλα, η μελάσσα και οι πούλπες πορτοκαλιού και πατάτας. Έτσι, μελετήθηκε η χρήση μικτών αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας με βάση την SCP, χρησιμοποιώντας τέσσερεις μικροοργανισμούς, το αλκοολανθεκτικό και κρυοανθεκτικό στέλεχος Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1, το θερμόφιλο στέλεχος Kluyveromyces marxianus, τη φυσική μικτή καλλιέργεια κεφίρ και το εδώδιμο μανιτάρι Pleurotus ostreatus. Αναλυτικότερα, αρχικά αναλύθηκε η σύσταση των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων ως προς την υγρασία τους, τα ξηρά συστατικά, την πρωτεΐνη και τα σάκχαρα που αυτά περιέχουν, το λίπος, το C.O.D. καθώς και τα φαινολικά συστατικά αλλά και την αντιοξειδωτική ικανότητα που αυτά διαθέτουν. Επιπλέον, τα 6 απόβλητα αναλύθηκαν ως προς την περιεκτικότητά τους σε μέταλλα και αρωματικά συστατικά. Και τα 6 απόβλητα περιείχαν σημαντική ποσότητα σακχάρου αλλά και πρωτεΐνης. Επίσης, όλα τα απόβλητα είχαν υψηλό C.O.D, κάτι που αποδεικνύει το πόσο σημαντικοί ρύποι είναι τα συγκεκριμένα απόβλητα. Επίσης περιείχαν σημαντική συγκέντρωση φαινολικών συστατικών, ακόμη και το τυρόγαλα για το οποίο ήταν κάτι αξιοσημείωτο. Παρόλα αυτά, η αντιοξειδωτική τους ικανότητα ήταν μηδαμινή. Το περιεχόμενο των αποβλήτων σε μέταλλα ήταν αρκετά υψηλό με κύριο συστατικό το μαγνήσιο. Τέλος, τα 6 απόβλητα ήταν πλούσια σε πτητικά συστατικά όπως αυτά προσδιορίστηκαν με ανάλυση headspace SPME GC/MS. Επίσης, μελετήθηκε η χρήση μικτών αποβλήτων ως υποστρώματα παραγωγής SCP με ζυμώσεις υγρής (SmF) και στερεάς κατάστασης (SSF) χρησιμοποιώντας τους μικροοργανισμούς, S. cerevisiae AXAZ-1, K. marxianus ΙΜΒ3, κεφίρ και P. ostreatus. Το υπόστρωμα που παρείχε την μεγαλύτερη απόδοση βιομάζας (g βιομάζας/ g καταναλωθέντος σακχάρου) S. cerevisiae AXAZ-1 μέσω υγρής ζύμωσης ήταν 100 mL πούλπα πορτοκαλιού, 50 mL μελάσσα 4 οBe και 50 mL νερό ενώ για την ζύμωση στερεάς κατάστασης οι ίδιες ποσότητες με την προσθήκη 70 g BSG. Οι βέλτιστες συνθήκες παραγωγής SCP ήταν θερμοκρασία 30 οC και pH 5,5. Όσον αφορά τον K. marxianus, το βέλτιστο υπόστρωμα παραγωγής SCP ήταν 100 mL πούλπα πορτοκαλιού, 30 mL τυρόγαλα, 10 mL μελάσσα, 10 mL πούλπα πατάτας και 50 mL νερό για υγρή ζύμωση, ενώ για την στερεή το βέλτιστο υπόστρωμα περιείχε και 80 g BSG. Οι βέλτιστες συνθήκες παραγωγής SCP ήταν 30 οC και pH 7. Το υπόστρωμα που παρείχε την μεγαλύτερη απόδοση βιομάζας κεφίρ ήταν 100 mL τυρόγαλα, 30 mL πούλπα πορτοκαλιού, 10 mL μελάσσα, 10 mL πούλπα πατάτας και 50 mL νερό, όσον αφορά την υγρή ζύμωση, ενώ για την στερεή ζύμωση προστέθηκαν 60 g BSG και 25 g MSR. Οι βέλτιστες συνθήκες παραγωγής SCP ήταν θερμοκρασία 30 οC και pH 5,5. Όσον αφορά τον μύκητα P. ostreatus το υπόστρωμα το οποίο παρείχε την μεγαλύτερη κατανάλωση σακχάρου και ταυτόχρονα αύξηση της περιεχόμενης πρωτεΐνης αλλά και μεγαλύτερη απόδοση μυκηλίου ήταν 20 mL μελάσσα, 20 mL πούλπα πατάτας, 5 mL τυρόγαλα, 5 mL πούλπα πορτοκαλιού, 30 g BSG και 5 g MSR. Οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης μυκηλίου ήταν θερμοκρασία 30 οC και pH 4. Σε όλες τις περιπτώσεις παραγωγής SCP διαπιστώθηκε πως η πούλπα πορτοκαλιού και τα BSG είχαν την δράση προωθητή της παραγωγής SCP. Ακόμη, μελετήθηκε η παραγωγή εδώδιμών μανιταριών P. ostreatus με χρήση τριών τύπων αντιδραστήρων (σακούλα πολυαιθυλενίου, αλουμινένια οριζόντια δοχεία, κάθετοι πλαστικοί αντιδραστήρες) οι οποίοι συμπληρώθηκαν με 1 Kg αποστειρωμένου μικτού στερεού υποστρώματος και στη συνέχεια αφέθηκαν για επώαση στους 25 οC. Μετά το πέρας 40 ημερών δεν διαπιστώθηκε εμφάνιση καρποφοριών. Ακόμη, οι SCP που παράχθηκαν μέσω ζύμωσης μικτών αποβλήτων αξιολογήθηκαν ως τρόφιμο ή ζωοτροφή, αναλύοντας την ποιότητά τους. Παρουσίασαν υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη, λίπος και μέταλλα, συστατικά που είναι σημαντικά τόσο για την ανθρώπινη διατροφή όσο και για την διατροφή των ζώων. Επίσης, περιείχαν αρκετά πτητικά συστατικά, που προσέδιδαν ιδιαίτερο άρωμα, κυρίως φρούτων. Η παραγόμενες SCP στη συνέχεια υπέστησαν αυτόλυση και λυοφιλίωση και αξιολογήθηκαν ως εκχύλισμα μικροβιολογίας για την ανάπτυξη βιομάζας S. cerevisiae AXAZ-1 σε συνθετικό θρεπτικό γλυκόζης. Επίσης, για σύγκριση χρησιμοποιήθηκε εμπορικό yeast extract. Τα εκχυλίσματα και το εμπορικό yeast extract χρησιμοποιήθηκαν σε τρείς συγκεντρώσεις (0,3%, 0,4% και 0,5% w/v) και η βιομάζα που παράχθηκε μετά από 48 h ζύμωσης προσδιορίστηκε με προσδιορισμό της οπτικής πυκνότητας με τη βοήθεια πρότυπης καμπύλης απορρόφησης αλλά και σταθμικά μετά από φυγοκέντριση. Τα εκχυλίσματα SCP από υγρές ζυμώσεις αποδείχτηκαν καλύτερα από το εμπορικό yeast extract δίνοντας μεγαλύτερη παραγωγικότητα βιομάζας σε όλες τις συγκεντρώσεις που μελετήθηκαν. Όσον αφορά τα εκχυλίσματα SCP από στερεές ζυμώσεις μόνο αυτό του K. marxianus ήταν καλύτερο σε όλες τις συγκεντρώσεις από το εμπορικό. Αντίθετα, το εκχύλισμα κεφίρ SSF ήταν χειρότερο από το εμπορικό σε όλες τις συγκεντρώσεις που μελετήθηκε.Τέλος, μελετήθηκε η περιεκτικότητα της SCP σε RNA, έτσι ώστε τα εκχυλίσματα SCP να χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια ως ενισχυτικό γεύσης σε σούπες καρότου σε σύγκριση με αλάτι και γλουταμινικό μονονάτριο. Η περιεκτικότητα σε RNA ήταν πολύ υψηλή (264-1400 mg/100 g ξηρής SCP) με τις υψηλότερες τιμές να προσδιορίζονται στις SCP από στερεή ζύμωση. Στη συνέχεια τα εκχυλίσματα προστέθηκαν σε σούπα καρότου σε συγκέντρωση 0,5% w/w και σε ίδια ποσότητα προστέθηκαν σε δύο ακόμη σούπες αλάτι και γλουταμινικό νάτριο, αντίστοιχα. Οι σούπες δόθηκαν σε έξι κριτές για αξιολόγηση οι οποίοι βαθμολόγησαν τις σούπες με βάση μια κλίμακα προτίμησης 1-10 (10= Άριστη, 8= Πολύ καλή, 7= Καλή, 6= Μέτρια, 5= Αδιάφορη, 3= Κακή και 1= Πολύ κακή). Οι κριτές βαθμολόγησαν υψηλότερα τις σούπες που περιείχαν γλουταμινικό νάτριο, εκχύλισμα K. marxianus από στερεή ζύμωση και αλάτι ενώ όλες οι άλλες σούπες βαθμολογήθηκαν πιο χαμηλά. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε ανάλυση των αρωματικών ενώσεων με GC/MS όπου διαπιστώθηκε πως οι σούπες που περιείχαν εκχυλίσματα SCP ως ενισχυτικό γεύσης περιείχαν μεγαλύτερη συγκέντρωση πτητικών ενώσεων από αυτή με γλουταμινικό. Έτσι, φαίνεται πως το γλουταμινικό νάτριο μπορεί να αντικατασταθεί επιτυχώς από τα εκχυλίσματα μονοκυτταρικής πρωτεΐνης και έτσι να εξαλειφθούν τα «συμπτώματα του Kινέζικου εστιατορίου» για τα οποία έχει κατηγορηθεί