Valorisation of cereal by-products: a biorefinery approach

QC 2022-02-09

Abstract

Jordbruksbiprodukter är rikliga strömmar av outnyttjad biomassa som har potential att värderas till olika industriprodukter med hjälp av miljövänliga processer. I denna studie föreslås en integrerad bioprocess som kombinerar subkritisk vattenextraktion (SWE) och enzymatisk behandling (ET) för att effektivt extrahera arabinoxylaner (AX) från jordbruksbiprodukter. På grund av deras unika substituerade och feruloylerade natur, kan AX potentiellt utvecklas till flera funktionella livsmedels- och materialapplikationer.

Optimering av SWE processen undersöktes i termer av hur olika extraktionsparametrar påverkade extraherbarheten och den molekylära strukturen hos AX. Parametrarna som undersöktes innefattade förbehandling, extraktionstid, biomassatyp, pH och temperatur i laboratorieskala, samt uppskalning i pilotskala (skalfaktor 33x). Avlägsnande av stärkelse före SWE var viktigt, eftersom det inte bara förbättrade utbytet utan också renheten hos det extraherade AX. Generellt sett resulterade en temperaturökning i högre utbyten och en snabbare övergång från ett glukanrikt extrakt till ett AX-rikt extrakt, men med följden av ökad autohydrolys. Med ökad extraktionstid ökade AX-populationen i renhet och komplexitet. Detta visades av ett högre förhållande mellan arabinos och xylos (A/X), men ökad extraktionstid ledde också till en lägre molekylviktsfördelning. Genom att använda ett buffrat lösningsmedel i neutrala eller milda alkaliska förhållanden kan autohydrolys förhindras. Valet av alkaliska betingelser var särskilt gynnsamt vid frisättning av glucuronoarabinoxylan (GAX) från majsfiber, men minskade också signifikant mängden förestrad ferulsyra (FA) på polysackariden. FA är en viktig funktionell grupp att bevara eftersom den påverkar extraktens antioxidantaktivitet, såväl som möjligheten till oxidativ koppling i materialapplikationer. När det gäller biomassatypen visades att kornkli vara mer motsträvig än vete- eller rågkli. Kornextraktet innehöll AX-populationer som var mer substituerade och högre förekomst av p-kumarsyra och FA. Uppskalning av SWE visade att liknande resultat kunde erhållas som laboratorieskala när både extraktionstiden och förhållandet mellan biomassa och extraktionslösning ökades.

För karakterisering av enzymer, specifikt xylanolytiska enzymer, undersöktes aktivitet först på lösliga AX-substrat före det olösliga kliet. Här undersöktes effekten av både arabinossubstitution och feruloylering på AX-substrat på enzymaktiviteten på mindre studerade xylanaser från GH-familjen 5 och 8, med de som är väl studerade från GH-familjen 10 och 11. GH8-xylanaset var mest begränsat av arabinossubstitution, vilket genererade medellånga linjära xylooligosackarider (XOS) på upp till ett xylopentos (X1-X5). Under tiden föredrog GH5 mer substituerad AX, vilket senare orsakade behov av en C(O)-3 kopplad arabinos för klyvning. GH5-xylanaserna producerade tydligt arabinoxylan-oligosackarider som har en arabinos i den reducerande änden. Samtidigt hade FA, som förekommer på C(O)-3 kopplade arabinoser, en påverkan på aktiviteten för GH5-xylanaserna. När det gäller effektivitet var de traditionella GH10- och GH11-xylanaserna i stort sett mer aktiva på ett bredare utbud av AX-substrat. De genererade små hydrolysprodukter (X1-X3) i mycket snabbare takt än GH8- och GH5-xylanaserna.

Kunskapen från SWE-optimeringen och karaktäriseringen av enzymer användes för att validera en integrerad process som kombinerar de två tillvägagångssätten. Användningen av ett GH10-xylanas tillsammans med ett feruloylesteras visade sig senare vara den mest optimala cocktailen för att underlätta frisättningen av arabinoxylaner i kombination med SWE. Det förväntas att denna studie kan berika kunskapen om SWE-teknologi, interaktioner mellan xylanolytiska enzymer och arabinoxylansubstrat, samt realiseringen av bioraffinaderier baserade på jordbrukbiprodukter i framtiden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-307789