Katedra Chemii Żywności i Biokatalizy (Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu) realizuje badania w obszarze chemii i biotechnologii skupione wokół izolacji, syntezy i biotransfromacji związków biologicznie aktywnych. Katedra realizuje zarówno projekty badawcze, jak i wdrożeniowe dla przemysłu.
Przykładem jest projekt dr Ewy Szczepańskiej, w którym naukowczyni pracuje nad alternatywną ścieżką otrzymywania waniliny – jednego z najbardziej pożądanych w przemyśle aromatów. Wykorzystanie bezpiecznych mikroorganizmów do produkcji waniliny umożliwi też zagospodarowanie pozostałości poprodukcyjnych z przemysłu rolno-spożywczego takich jak młóto browarniane. Projekt zdobył uznanie ekspertów i jest finansowany ze środków NCBiR (Lider XII). Wobec współczesnych wyzwań związanym z rosnącą populacją ludzi, wyczerpującymi się zasobami naturalnymi oraz zagrożeniem bezpieczeństwa żywnościowego, Europa musi zmienić podejście do produkcji, konsumpcji, a przede wszystkim do ponownego przetwarzania pozostałości poprodukcyjnych. Produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego, to w zdecydowanej większość odpady lignocelulozowe, które odpowiednio przetworzone w procesach biotechnologicznych, mogą być cennym źródłem atrakcyjnych związków chemicznych.
Fermentacja na podłożu stałym – SSF
Fermentacja na podłożu stałym (SSF, skrót z ang. Solid-State Fermentation) to jeden z biotechnologicznych sposobów zagospodarowania organicznych pozostałości generowanych w przemyśle rolno-spożywczym. Wykorzystuje niezwykły i ciągle nie do końca poznany potencjał grzybów strzępkowych, bakterii i drożdży. Podłożem do wzrostu mikroorganizmów w SSF mogą być produkty uboczne pochodzenia roślinnego generowane w przemyśle rolno-spożywczym (Rys. 1), których większość pozostaje niewykorzystanym odpadem.
Grzyby strzępkowe, bakterie i drożdże posiadają unikalne enzymy, które po uwolnieniu do podłoża, powodują rozpad wielkocząsteczkowych celuloz, hemiceluloz, białek, pektyn i tłuszczy zawartych w odpadach na mniejsze, łatwiej przyswajane dla komórki mirkoorganizmu “cegiełki”, m. in. cukry i aminokwasy. Dzięki temu mogą je wykorzystać jako źródło energii oraz niezbędnych składników odżywczych i budulcowych. W procesie SSF mogą jednocześnie powstawać atrakcyjne dla przemysłu metabolity, które przedłużają łańcuch wartości całego procesu produkcyjnego.
Najważniejszą grupą mikroorganizmów wykorzystywanych w SSF są grzyby strzępkowe. Warunki panujące podczas hodowli typu SSF odwzorowują warunki panujące w ich naturalnym środowisku. Strzępkowa budowa grzybni oraz szeroki wachlarz wydzielanych do podłoża enzymów umożliwia im szybkie zasiedlanie środowiska, co sprawia, że grzyby są bardziej wydajne i konkurencyjne pod względem biokonwersji stałych substratów.
Wykorzystanie technologii takich jak fermentacja na podłożu stałym do biokonwersji odpadów lignocelulozowych w celu otrzymania szerokiej gamy bioproduktów przynoszą korzyści zarówno ekonomiczne, jak i środowiskowe. Wszechstronność zastosowań i zainteresowanie implementacją zasad biogospodarki o obiegu zamkniętym sprawiają, że SSF to jedna ze strategii waloryzacji produktów ubocznych, która może mieć znaczący wpływ na środowisko, gdyż jej koncepcja zakłada jednoczesną utylizację problematycznych produktów ubocznych pochodzenia roślinnego.
SSF był stosowany od czasów starożytnych do przetwarzania żywności.
Typowymi przykładami jest tradycyjna żywność fermentowana taka jak japońskie koji, indonezyjskie tempeh lub indyjskie ragi oraz francuski ser pleśniowy. Choć proces ten jest znany już od wieków, zyskał on na nowo zainteresowanie ze strony naukowców i branż z całego świata głównie ze względu na zalety, jakie oferuje w porównaniu z powszechnie stosowaną fermentacją płynną (SmF, ang. Submerged Fermentation). Wśród korzyści, jakie oferuje metoda SSF można wymienić m.in.:
- stosunkowo niższy koszt;
- prostotę operacji technicznych;
- prosta konstrukcja bioreaktorów wykorzystywanych do SFF;
- niskie zapotrzebowanie na energię;
- skoncentrowany charakter podłoża zapewniający niewielkie wymagania przestrzenne;
- zapewnienie niezbędnych składników odżywczych przez podłoże hodowlane w postaci biomasy odpadowej bez konieczności dodatkowego modyfikowania składu pożywki;
- brak konieczności stosowania dodatkowych operacji, takich jak napowietrzanie, mieszanie mechaniczne czy obróbka cieplna często, co obniża koszty produkcji;
- zmniejszone ryzyko kontaminacji hodowli niepożądaną mikroflorą ze względu na niską zawartość wody w podłożu;
- zmniejsza ilość generowanych ścieków z uwagi na ograniczone zużycie wody.
Pomimo powyższych przewag SSF nad SmF, posiada pewne ograniczenia, w tym m.in.:
- brak mechanizmów pozwalających na pełną kontrolę parametrów hodowli w bioreaktorach służących do SSF;
- utrudnione monitorowanie parametrów środowiska takich jak pH, napowietrzanie, wilgotność i ilość biomasy mikrobiologicznej ze względu na stały charakter podłoża;
- dłuższy okres kiełkowania zarodników mikroorganizmów ze względu na utrudniony dostęp do składników odżywczych w podłożu stałym w porównaniu do podłoża płynnego.
Zastosowanie SSF pozwala na wytworzenie szerokiej gamy bio produktów. Hodowla mikroorganizmów na podłożach stałych umożliwia otrzymanie produktów takich jak: związki zapachowe, enzymy, biopaliwa, kwasy organiczne, antybiotyki, związki antyoksydacyjne, barwniki, biopestycydy, witaminy, biopolimery, biosurfaktanty. SSF stało się obiektem badań w latach 50-tych XX wieku. Badania w tym kierunku zintensyfikowano jednak znacznie później. Ponad 93% patentów odnośnie wykorzystania SSF zgłoszono po 2001 roku, z czego ponad 60% dopiero po 2010 roku.
Enzymy
Naukowcy prowadzą badania nad możliwością zastosowania SSF do produkcji enzymów o znaczeniu przemysłowym, takich jak: amylazy, celulazy, glukoamylazy, glukozydazy, ksylanazy, lakazy, ligninazy, lipazy, pektynazy, proteazy, peptydazy. Podejmowane są również próby badania procesów SSF do produkcji chitynaz, fitaz, mannaz, inulinaz, poligalakturonaz, tanaz, esteraz, podpuszczki oraz oksydaz z wykorzystaniem SSF. Kolejną grupą enzymów istotnych dla przemysłu spożywczego enzymów cieszących się zainteresowaniem naukowców są lipazy, proteazy, tanazy, pektynazy, L-asparaginazy. Wymienione enzymy znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle spożywczym i paszowym, celulozowo-papierniczym, tekstylnym, detergentowym, biorafineryjnym oraz browarniczym. Wybór konkretnego szczepu, produkującego enzymy z ekonomicznie opłacalną wydajnością pozostaje jednak żmudnym zadaniem, zwłaszcza gdy ma być osiągnięta znacząca komercyjnie aktywność enzymu. Najczęściej do tego procesu stosuje się grzyby strzępkowe. Satysfakcjonujące wydajności można uzyskać również wykorzystując drożdże i bakterie.
Związki zapachowe
Zastosowanie związków zapachowych w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i perfumeryjnym jest szerokie ze względu na pozytywny wpływ na produkt poprzez kształtowanie ich właściwości organoleptycznych. Naturalne aromaty są zazwyczaj ekstrahowane z roślin zawierających te związki, ale ich niewielka zawartość w tych surowcach sprawia, że proces ich pozyskiwania jest bardziej skomplikowany i kosztowny niż zastosowanie syntezy chemicznej. Konsumenci preferują naturalne aromaty od syntetycznych, ponieważ te ostatnie często zawierają niepożądane produkty uboczne zmieniające ich profile organoleptyczne. W związku z tym poszukiwane są alternatywne metody otrzymywania związków zapachowych uznanych za naturalne, a metody biotechnologiczne idealnie wpisują się w te trendy. Dotychczas uzyskano aromaty, takie jak estry owocowe o zapachu banana, truskawki, pomarańczy, gruszki, agrestu, ananasa stosując wytłoki trzciny cukrowej, pomarańczy, buraka oraz soi z wykorzystaniem do tego procesu różnych mikroorganizmów.
Aktualnie na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu prowadzony jest projekt pt. „Opracowanie biotechnologicznej produkcji waniliny z wykorzystaniem produktów ubocznych przemysłu rolno-spożywczego”, którego celem jest wykorzystanie mikroorganizmów do rozkładu związków ligninocelulozowych w produktach ubocznych przemysłu olejarskiego i browarniczego, jednocześnie mikroorganizmy te wykazują zdolność do biosyntezy waniliny ze związków powstałych w wyniku degradacji tych surowców roślinnych.
Biopaliwa
W obecnych realiach gospodarczych i Zielonego Ładu paliwa coraz częściej są zastępowane bioetanolem, którego źródłem mogą być dotąd niewykorzystywane pozostałościach rolno-przemysłowych takich jak słoma ryżowa, trociny, łodygi kukurydzy oraz wytłoki ziemniaczane, trzciny cukrowej i buraków cukrowych. Bioetanol można otrzymać z odpadów warzywnych, takich jak obierki z ziemniaków, marchwi i cebuli techniką fermentacji przy pomocy popularnych drożdży Saccharomyces cerevisiae. Dzięki zastosowaniu pozostałości rolniczych można zmniejszyć wylesianie poprzez zmniejszenie naszej zależności od biomasy leśnej. Hodowla mikroorganizmów na z sukcesem zostały wykorzystane do produkcji bioetanolu.
Kwasy organiczne
Kwasy organiczne to związki o szerokim spektrum zastosowania w praktycznie każdym przemyśle i są kolejnym produktem możliwym do uzyskania metodą SSF z wykorzystaniem pozostałości rolno-przemysłowych. Kwas cytrynowy jest najczęściej otrzymywanym kwasem organicznym metodą hodowli na podłożu stałym, głównie z wykorzystaniem szczepów grzybów strzępkowych z rodzaju Aspergillus i surowców takich jak melasa buraczana, wytłoki z trzciny cukrowej, otręby, wytłoki i obierki z owoców, a nawet łupiny orzechów. Metodę SSF przy wykorzystaniu różnorodnych biokatalizatorów i bioodpadów takich jak wytłoki z manioku, trzciny cukrowej, a nawet odpady piekarnicze czy igły sosnowe można zastosować do produkcji m.in. kwasu fumarowego, kwasu mlekowego, kwasu bursztynowego lub szczawiowego.
Antybiotyki
Antybiotyki mogą być wytwarzane albo na drodze biosyntezy lub na drodze procesów półsyntetycznych, bądź w pełni syntetycznych. Do mikrobiologicznej produkcji antybiotyków zwykle stosuje się kultury w podłożu płynnym. Niektóre badania wskazują jednak, że fermentacja na podłożu stałym może być konkurencyjna dla tej metody Przeprowadzono wiele badań pod kątem użycia odpadów rolno-przemysłowych do produkcji antybiotyków. Do produkcji oksytetracykliny wykorzystano m.in. kolby kukurydzy, trociny i łuski ryżu. Z powodzeniem produkowano tetracyklinę na łupinach orzecha ziemnego. Z wytłoków z nasion słonecznika lub łuski kukurydzy biosyntezuje się ryfamycynę B.
Kolejny przykład antybiotyku uzyskanego metodą SSF to cefamycyna C, którą produkował mikroorganizm na mące sojowej. Do innych antybiotyków możliwych do biosyntezy metodą SSF należą meroparamycyna, cyklosporyny A, cefalosporynę C, gdzie wykorzystano takie produkty uboczne jak łuski ryżu, otręby pszenne i ryżowe, wytłoki z orzechów i kokosa, makuch lniany i słonecznikowy. Również wykorzystanie metody SSF do produkcji powszechnie stosowanego antybiotyku – penicyliny – jest szeroko zbadana przez naukowców. Do jej uzyskania stosowano surowce stałe, takie jak wytłoki z buraka i trzciny cukrowej. Podczas badań zaobserwowano wyższą wydajność biosyntezy tego antybiotyku podczas procesu hodowli na podłożu stałym w porównaniu do tradycyjnego SmF.
Barwniki
Pigmenty stosowane są jako wzmacniacze koloru i przeciwutleniacze w przemyśle spożywczym. Istnieje wiele naturalnych kolorów, ale część z nich jest dostępnych w ograniczonych ilościach, ponieważ są one bezpośrednio pozyskiwane z roślin, kwiatów, owoców, liści i korzeni. Opracowano kilka metod laboratoryjnych wytwarzania pigmentów z wykorzystaniem mikroorganizmów, głównie grzyba strzępkowego z rodzaju Monascus purpureus. Może on biosyntezować czerwone (rubropunktamina, monaskorubramina), pomarańczowe (rubropunkatyna, monaskorubina) i żółte (ankaflawina, monascyna C, monascydyna A) pigmenty podczas hodowli na podłożu stałym z wykorzystaniem odpadów z ryżu, kukurydzy, pszenicy i sorgo oraz wysłodków buraczanych. Najbardziej pożądany jest barwnik czerwony, gdyż jest on stosowany jako zamiennik azotynów i barwników syntetycznych w produktach mięsnych. Możliwa jest biosynteza β-karotenu przy wykorzystaniu jako surowców obierków z marchwi, pomarańczy i papaji oraz astaksantyny, (czerwony barwnik o silnych właściwościach antyoksydacyjnych) na odpadach z jabłek i granatu oraz pomarańczy.
Biopestycydy
W ostatnich latach obserwuje się tendencję do zastępowania tradycyjnych chemicznych pestycydów naturalnymi środkami kontroli biologicznej, co jest spowodowane wzrostem świadomości konsumentów i popularności ekologicznej agroturystyki. Wytwarzanie entomopatogenów grzybowych przez fermentację typu SSF z wykorzystaniem odpadów rolno-przemysłowych stanowi atrakcyjną alternatywę dla zrównoważonej metody produkcji. Dlatego cieszy się ona obecnie szczególnym zainteresowaniem naukowców, którzy podejmują próby produkcji biopestycydów z wykorzystaniem baterii z rodzaju Bacillus, Beauveria czy Trichoderma na pozostałościach z przetwarzania soi, odpadach piwowarskich czy łuskach ryżowych.
Inne produkty o wartości dodanej produkowane metodą SSF
Nadal trwają intensywne badania nad otrzymaniem wielu innych produktów z odpadów spożywczych. Naukowcy zaproponowali metodę SSF jako drogę do otrzymania biopolimerów z wytłoków z manioku, gumy ksantanowej z obierek pomarańczy, polihydroksyalkanianów z obierek ananasa, biosurfaktantów z otrąb pszennych i łusek ryżowych, farmaceutyków z ryżu i otrąb pszennych, hormonów roślinnych z wytłoków z cytryny oraz słodzików takich jak erytrytol wykorzystując do tego popularny szczep drożdży Yarrowia lipolytica i wytłoki z rzepaku, soi i sezamu.
Zastosowanie hodowli na podłożu stałym jest obiecującą technologią, ponieważ daje możliwości przekształcenia procesów chemicznych w bardziej ekologiczne, biotechnologiczne praktyki w sektorze przemysłowym. Biorąc pod uwagę, że rocznie generowany jest około bilion ton odpadów pochodzenia rolno-spożywczego, zastosowanie tych pozostałości do procesu SSF jest atrakcyjną alternatywą dla syntezy chemicznej służącej do otrzymywania związków istotnych dla przemysłu spożywczego oraz farmaceutycznego. Szczególne zainteresowanie SSF wynika z tego, że jest to stosunkowo prosty proces, w którym do biokonwersji wykorzystuje się łatwo dostępne i tanie biomateriały. Dlatego też, SSF otworzył nowy paradygmat przetwarzania organicznych odpadów stałych poprzez produkcję biologicznie aktywnych metabolitów zarówno w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej.
Autor: dr inż. Ewa Szczepańska
O autorze
Pracuje w Katedrze Chemii Żywności i Biokatalizy na stanowisku adiunkta, gdzie kieruje projektem badawczym pt. „Opracowanie biotechnologicznej produkcji waniliny z wykorzystaniem produktów ubocznych przemysłu rolno-spożywczego” finansowanego w ramach programu LIDER XII Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (2022-2025). Od września br. jest współwykonawcą w projekcie “Innowacyjne techniki biowaloryzacji – międzynarodowa sieć badawcza kluczem do stworzenia Centrum Doskonałości Naukowej” przyznanym przez NAWA w ramach programu Partnerstwa Strategiczne. Współpracuje również z przemysłem w ramach kontraktów badawczo-rozwojowych, starając się odpowiadać na wyzwania branży rolno-spożywczej w zakresie zagospodarowania produktów ubocznych i opracowywania nowych biotechnologii dla przemysłu.
Została wielokrotnie doceniona za swoje osiągnięcia naukowe i organizacyjne zarówno na forum uczelnianym jak i ogólnopolskim. Najważniejsze wyróżnienia stanowią Stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za wybitne osiągnięcia naukowe oraz Studencki Nobel w dziedzinie nauk przyrodniczo-rolniczych.
Więcej artykułów w ramach współpracy z UPWr TUTAJ.