Crude pectinolytic enzymes production in fed-batch shake flask cultivation

Abstract

The use of waste in the production of enzymes, which is one of the products with high added value, is one of the right strategies to reduce the production cost of the product and sustainability movement. In this study, the production of polygalacturonase (PGase) and pectin lyase (PLase) enzymes from Bacillus subtilis ATCC 6633 in fed batch submerged fermentation, the conditions and composition of the fermentation medium and the effects of pretreatment methods (thermal, thermo-chemical, microwave assisted dilute acid (MW- DA)) on the conversion of fermentable sugar from black carrot pulp were investigated. The MW-DA was chosen the best with higher fermentable sugar content (FSC). The three different powers (300, 600, 850 W) and 3 different treatment time (30, 60, 90 s) were examined by Taguchi design. The highest FSC was found at 300 Watt for 30 seconds. MW-DA followed by ES produced the most fermentable sugar (0.493 g/g, 87.3% conversion). The amount of fermentable sugar was enhanced from 15.8% to 87.3% when MW-DA treatment is combined with enzymatic saccharification (ES). Yeast extract, whey and pea protein were examined as nitrogen sources. According to the enzyme activity results obtained, the fermentation medium was modified with pea protein. Certain concentrations (2.5%, 5%, 10%, 15%) were fed to the fermentation medium. The highest PGase activity was determined at the 15% feed concentration and 72th hours (164.34±2.26 U/L) whereas the highest PLase activity was obtained at 72th hours (188.22±1.72 U/L) at 5% feed concentration.

Katma değeri yüksek ürünlerden biri olan enzimlerin üretiminde atıkların kullanılması, ürünün üretim maliyetinin düşürülmesi ve sürdürülebilirlik hareketi için doğru stratejilerden biridir. Bu çalışmada, Bacillus subtilis ATCC 6633'ten poligalakturonaz ve pektinliyaz enzimlerinin kesikli beslemeli batık fermantasyonda üretimi ve fermantasyon ortamının koşulları, bileşimi ve uygulanan önişlem yöntemlerinin (termal, termo-kimyasal, mikrodalga destekli seyreltik asitli) siyah havuç posasından indirgen şekere dönüşümü üzerine etkileri incelenmiştir. Mikrodalga destekli seyreltik asit yöntemi fermente edilebilir şeker (FEŞ) miktarında etkili sonuçlar vermiştir. Taguchi dizaynında 3 farklı güç (300, 600, 850 W) ve 3 farklı süre (30, 60, 90 s) seçilerek tasarlanmıştır. Dizayn sonucu en iyi indirgen şeker miktarını veren güç ve süre 300 Watt ve 30 saniyedir. MW-DA ve ardından ES, en fazla fermente edilebilen şekeri üretmiştir (0.493 g/g, %87.3 dönüşüm). MW-DA işlemi enzimatik sakarifikasyon (ES) ile birleştirildiğinde FSC %15,8'den %87,3'e yükselmiştir. Isıl ön işlemine kıyasla, MW ön işlemi daha az enerji kullanmıştır. Kokteyl enzimlerinin üretiminde protein kaynağı olarak maya ekstraktı, peynir altı suyu proteini ve bezelye proteini denenmiştir. Elde edilen enzim aktivite sonuçlarına göre fermantasyon ortamı bezelye proteini kullanılarak modifiye edilmiştir. Belirli konsantrasyonlarda (%2.5, %5, %10, %15) fermantasyon ortamı substrat ile beslenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda en yüksek poligalakturonaz (PGaz) aktivitesi %15'lik besleme konsantrasyonunda 72. saatte (164.34±2.26 U/L) elde edilmiştir. En yüksek pektinliyaz (PLaz) aktivitesi, %5 besleme konsantrasyonunda 72. saatte (188.22±1.72 U/L) elde edilmiştir. Taze substrat beslemesi enzim aktivitesini ve fermentasyon süresini arttırarak daha çok ürün elde edilmesini sağlamıştır.