Obtaining sugars from hazelnut husk to be utilized in the growth of an industial microbial strain

Abstract

Lignoselülozik malzemeler, glikoz, ksiloz ve arabinoz gibi şekerlerden önemli miktarda içerir. Bu durum onları mikrobiyal büyüme için çekici ve ucuz biyokütle kaynakları yapmaktadır. Bu çalışmada, lignoselülozik bir atık olan fındık zürufu şeker hidrolizatının endüstriyel biyo-işlemler için değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, fındık zürufu ilk olarak seyreltik asit ön işlemine tabi tutulmuştur. Kalan katılar süzülüp enzimatik hidroliz için kullanılmıştır. Hem asit ön işlemi hem de enzimatik hidroliz için parametreler, yazılı bir merkezi kompozit tasarım kullanılarak belirlenmiş ve daha sonra elde edilen deneysel sonuçlarla MATLAB' de Response Surface Methodology ve Kriging modelleri kullanılarak optimum değerler hesaplanmıştır. 12.5 g fındık zürufunun 100 mL % 3.8 sülfürik asit çözeltisi içinde 50 dakika süreyle asit ön muamelesi, 27.67 mg/ mL'lik bir maksimum indirgeyici şeker konsantrasyonu verirken, kalan katıların 39 mL 50 mM sodyum sitrat tamponu içinde 3.12 mL Trichoderma reesei selülaz enzimi ile enzimatik hidrolizi 6.88 gün sonunda 8.36 mg/ mL'lik bir indirgeyici şeker konsantrasyonu vermiştir. Toplam şeker verimi, ön işlemden sonra yaklaşık 0.12 gr şeker / 1 gr fındık zürufu olmuştur. Bu değer, enzimatik işlemden sonra sadece 0.01 gr şeker / 1 gr fındık zürufu kadar yükselmiştir. Enzimatik işlem yeteri kadar elverişli olmadığından, doğrudan asit ön işlemi sonrasında elde edilen şeker hidrolizatı Corynebacterium glutamicum'un mikrobiyal büyümesi için karbon kaynağı olarak kullanılmıştır. Yabani tip suş ksiloz tüketemediğinden, şeker hidrolizatında bulunan glikoz ve ksilozun eşzamanlı kullanımını değerlendirmek için ksiloz kullanım genlerini barındıran bir mutant suş da ayrıca kullanılmıştır. Her iki hücre de tek karbon kaynağı olarak züruf hidrolizatı ile tanımlanmış ortamlarda büyüyebilmiştir. Diğer taraftan beklendiği gibi ksiloz kullanım genlerine sahip hücreler yabani tipten iyi büyümüştür. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, fındık zürufunun çok çeşitli kimyasalların üretiminde kullanılan bir endüstriyel suşun yetiştirilmesi için karbon kaynağı olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Lignocellulosic materials contain significant amounts of sugars, that include glucose, xylose, and arabinose. This makes them attractive and cheap sources of biomass for microbial growth. In this study, the aim was to get the sugar hydrolysate of a lignocellulosic waste, hazelnut husk, to be evaluated for industrial bio-processes. To this end, hazelnut husk was first subjected to dilute acid pretreatment. The remaining solids were filtered out and used for enzymatic hydrolysis. The parameters for both acid pretreatment and enzymatic hydrolysis were determined using an inscribed central composite design; and, then with the experimental results obtained optimum values were calculated using Response Surface Methodology and Kriging models in MATLAB. Acid pretreatment of 12.5 g husk in 100 mL of 3.8 % sulfuric acid solution for 50 minutes yielded a maximum reducing sugar concentration of 27.67 mg/ mL, while enzymatic hydrolysis of the remaining solids with 3.12 mL cellulase enzyme from Trichoderma reesei in a total volume of 39 mL 50 mM sodium citrate buffer yielded a reducing sugar concentration of 8.36 mg/ mL after 6.88 days of hydrolysis. The total yield was approximately 0.12 g sugar / 1 g hazelnut husk after pre-treatment. This value increased only by 0.01 g sugar / 1 g hazelnut husk after enzymatic treatment. Since enzymatic treatment was not feasible, sugar hydrolysate obtained after acid pretreatment was directly used as the carbon source for the microbial growth of Corynebacterium glutamicum. The wild-type strain cannot not consume xylose; therefore, a mutant strain harbouring the xylose utilization genes was also used to assess the simultaneous utilization of glucose and xylose found in the sugar hydrolysate. Both cells were able to grow in defined media with husk hydrolysate as the sole carbon source and, as expected, cells with the xylose utilization genes, grew better. Here, the results obtained have demonstrated that hazelnut husk can be used as a carbon source for the cultivation of the industrial workhorse of a wide range of commodity and value-added chemicals.