Kanapių sėklų lukštų biomasės fermentavimo proceso optimizavimas ir pritaikymas įvairiais ekstrakcijos metodais apdorotai žaliavai

Autor: Andriekus, Tomas
Přispěvatelé: Venskutonis, Petras Rimantas
Jazyk: litevština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Popis: Bioaktyvių junginių išgavimas iš maisto pramonės lignoceliuliozinių atliekų tampa patrauklus dėl pigios žaliavos, nesudėtingos logistikos ir aukštos galutinių produktų pridėtinės vertės. Dažniausiai vertingų junginių išgavimas atliekamas įvairiais ekstrakcijos metodais, o jų ekstraktų mišiniai arba išgryninti komponentai naudojami kosmetikos, farmacijos ir kitose srityse. Kadangi lignoceliuliozės dariniai yra pagrindinės naudojamos žaliavos sudėtinės dalys, tyrėjai vis dažniau, siekdami išgauti didesnius kiekius bioaktyvių medžiagų, naudoja komercinius fermentų mišinius, kurie pasižymi aukštu karbohidratų hidrolizės aktyvumu. Šio darbo tikslas buvo nustatyti optimalias kanapių sėklų luobelių fermentavimo sąlygas naudojant komercinį fermentų mišinį Viscozyme L (102 KMC IU). Gautos optimalios fermentavimo sąlygos buvo pritaikytos atliekant kanapių sėklų lukštų biomasės fermentinę hidrolizę. Naudotas neapdorotas ir iš anksto apdorotas įvairiomis SFE-CO2, PLE, UAE ekstrakcijos metodų kombinacijomis kanapių substratas. Sudaryta efektyviausio bioaktyvių junginių išgavimo technologinio proceso aparatūrinė schema. Optimizavimo planui įvykdyti buvo sudarytas 3 kintamųjų (pH, E/S, ekspozicijos trukmės) centrinis kompozicinis rotatabilinis planas (CKRP) su statistinių duomenų apdorojimo programa Design-Expert. Pagal programos sudarytą 20 eksperimentų planą, indai su mėginiais inkubuoti pagal atitinkamai gautas kintamųjų sąlygas ir kratyti orbitaline purtykle išlaikant pastovią 50 °C temperatūrą ir 250 aps/min greitį. Po fermentinių hidrolizių DNS metodu išmatuotos redukuojančių cukrų koncentracijos skystosiose mėginių fazėse, o gauti rezultatai, kaip atsako signalai, suvesti į Design-Expert programą ir analizuoti. Nustatytos optimalios sąlygos: pH=4,54, E/S=6,7, ekspozicijos trukmė – 6 val ir 12 min visada išlaikant 50 °C temperatūra ir 250 aps/min orbitalinės maišyklės greitį. Kanapių sėklų luobelės buvo apdorotos SFE-CO2, PLE (acetonu, 70% etanoliu, 140 °C vandeniu), UAE (acetonu, 70 % etanoliu, 50 mmol/L natrio citratiniu buferiniu tirpalu) ekstrakcijų metodų kombinacijomis. Nustatyta, kad didžiausia tirpių junginių išeiga susidaro atliekant kanapių sėklų luobelių žaliavos apdorojimą SFE-CO2 ir vykdant ekstrakciją PLE (acetonu, 70 % etanoliu, 140 °C vandeniu). Gauta suminė išeiga siekė 21,30 %. SFE-CO2 apdorota kanapių lukštų biomasė taip pat ekstrahuota netiesioginiu UAE (acetone) ir UAE (70 % etanolyje), o toliau atitinkamai PLE (acetonu) ir PLE (70 % etanoliu). Nustatyta, kad šios ekstrakcijų kombinacijos atitinkamai 11,56 % ir 22,50 % pakėlė tirpių junginių išeigas lyginant su išeigomis gautomis po ekstrakcijų atliktų šia seka: žaliava apdorota SFE-CO2, PLE (acetonu) arba SFE-CO2, PLE (70 % etanoliu). Kanapių sėklų luobelės iš anksto apdorotos skirtingų ekstrahavimo kombinacijų buvo fermentuotos optimaliomis sąlygomis. Nustatyta, kad fermentacijos atliktos su žaliava po SFE-CO2 ir PLE (acetonu), PLE (70 % etanoliu), PLE (140 °C vandeniu) padidina nuo 5 iki 8 kartų bioaktyvių junginių išeigas lyginant su tų pačių žaliavų ekstrakcija buferiniu tirpalu išlaikant tas pačias inkubacines sąlygas. Rezultatai atspindi, kad fermentaciją geriausia vykdyti atlikus kuo daugiau papildomų ekstrakcijų, kurių metu išekstrahuojami didesni nepolinių ir polinių junginių kiekiai. Tokiu atveju karbohidratus skaidantiems fermentams lengviau pasiekti ir hidrolizuoti lignoceliuliozinę matricą bei sumažėja galima fermentų inhibicijos tikimybė dėl augalinėje žaliavoje esančių bioaktyvių junginių. Optimalios fermentavimo sąlygos taip pat buvo pritaikytos įvairiais ekstrakcijos metodais apdorotai grikių lukštų biomasei. Nustatyta, kad fermentavimas komerciniu fermentų mišiniu Viscozyme L daugiau negu 10 kartų padidina tirpių junginių susidarymą skystojoje frakcijoje lyginant su kontroliniais mėginiais, kurie buvo inkubuoti tomis pačiomis sąlygomis, tik be fermentų. Be to, didžiąją dalį grikių lukštų sandaros sudaro poliniai junginiai, nes ekstrahuojant PLE (140 °C vandeniu) gauta ekstrakcijos išeiga siekė 5,77±0,36 %, o SFE-CO2, PLE (acetonu ir 70 % etanoliu) suminė išeiga viršijo šiek tiek daugiau negu 1 %.
Bioactive compounds obtained from lignocellulosic wastes and produced by food industry become attractive in case of cheap material, simple logistics and high value-added products, mostly, valuable compounds collected by different extraction methods, whose extract mixtures or pure compounds are adapted in cosmetics, pharmacy or other fields. Since the raw material is mostly lignocellulose, researchers started using commercial enzyme mixtures, which are characterized by high carbohydrase activity, to get better yields of bioactive molecules. The aim of this work was to determine optimal fermentation conditions by using commercial enzyme mixture Viscozyme L (102 CMC IU) from hemp seed hurds. Optimal fermentation conditions were used when performing enzyme assisted hydrolysis with the biomass of hemp seed hurds. Non-treated and by different combinations of SFE-CO2, PLE, UAE extraction methods pretreated hemp substrate was hydrolyzed by enzyme-assisted extraction. The hardware scheme of the most effective technological process of obtaining bioactive compounds was composed. Three variables (pH, E/S, exposition time) were used to compose Central Composite Rotatable Plan (CCRD) for optimization plan execution with statistical values estimating program Design Expert. Based on 20 experiments plan comprised by the program, bottles with samples were incubated by variable conditions obtained in accordance with the plan. Bottles were shaken with orbital shaker at 250 rpm/min and 50 °C. Reducing sugars were measured by DNS method in liquid phase samples after fermental hydrolysis. Measured response signal values were collected and analyzed using Design Expert program. Optimal conditions were determined: pH=5.54, E/S=6.7, exposition time – 6 hours and 12 minutes using fixed 50 °C temperature and 250 rpm/min velocity of orbital shaker. Hemp seed hurds were pretreated with SFE-CO2, PLE (acetone, 70 % ethanol, 140 °C water), UAE (acetone, 70 % ethanol, 50 mmol/L sodium citric buffer) different extraction methods combinations. The highest extract yield (21.30 %) of soluble compounds were obtained by SFE-CO2, PLE (acetone, 70 % ethanol, 140 °C water) extractions with hemp seed hurds biomass. Also, UAE (acetone) and UAE (70 % ethanol) were used to treat SFE-CO2 pretreated hemp seed hurds material which after UAE were respectively extracted by PLE (acetone) and PLE (70 % ethanol). It was determined that mentioned sequence of extraction combination raised extraction yields of soluble compounds by 11.56 % and 22.50 % respectively comparing with extraction sequences: SFE-CO2, PLE (acetone) or SFE-CO2, PLE (70 % ethanol). Pretreated hemp seed hurds by different extraction combinations were fermented by optimal conditions. It was determined that fermentation with SFE-CO2, PLE (acetone), PLE (70 % ethanol), PLE (140 °C water) pretreated material increases bioactive compound yields from 5 to 8 times comparing with the same material extracted by buffer maintaining the same incubation conditions. Results show that fermentation works best with material, which was pretreated with more additional extractions when higher polar and non-polar compounds were extracted. In this case, the enzymes, which decompose carbohydrates, can reach and hydrolyze lignocellulosic matrix better. In addition, inhibition possibility of bioactive compounds inside the vegetal material decreases. Optimal fermentation conditions were adapted with buckwheat hurds pretreated by different extraction methods. It was determined that fermentation using commercial enzyme mixture Viscozyme L increases soluble compounds in liquid phase more than 10 times comparing with control samples which were incubated using the same conditions but without enzymes. It was also determined that the majority of buckwheat hurds consists of polar compounds, because extraction yield obtained by PLE (140 °C water) was 5.77±0,36 % while extraction yield obtained by the combination of SFE-CO2, PLE (acetone) and PLE (70 % ethanol) was just above 1 %.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: