DEVELOPMENT OF INTEGRATED BIOPROCESSING TECHNOLOGIES FOR THE PRODUCTION OF PECTIC OLIGOSACCHARIDES (POS) FROM AGRO-PROCESSING RESIDUES

Abstract

This research deals with the production of pectic oligosaccharides (POS) from agro-industrial residues, with specific focus on development of continuous cross flow enzyme membrane reactor. Pectic oligosaccharides have recently gained attention due to their prebiotic activity. Lack of information on the continuous production of POS from agro-industrial residues formed the basis for the present study. Four residues i.e sugar beet pulp, onion hulls, pressed pumpkin cake and berry pomace were taken to study their pectin content. Based on the presence of higher galacturonic acid and arabinose (both homogalacturonan and rhamnogalacturonan) in sugar beet pulp and galacturonic acid (only homogalacturonan) in onion hulls, further optimization of different extraction methods of pectin (causing minimum damage to pectic chain) from these residues were done. The most suitable extractant for sugar beet pulp and onion hulls were nitric acid and sodium hexametaphosphate respectively. Further the experiments on the continuous production of POS from sugar beet pulp in an enzyme membrane reactor was initiated. Several optimization experiments indicated the optimum enzyme (Viscozyme) as well as feed concentration (25 g/L) to be used for producing POS from sugar beet pulp in an enzyme membrane reactor. The results highlighted that steady state POS production with volumetric and specific productivity of 22g/L/h and 11 g/gE/h respectively could be achieved by continuous cross flow filtration of sugar beet pulp pectic extract over 10 kDa membrane at residence time of 20 min. The POS yield of about 80% could be achieved using above conditions. Also, in this thesis preliminary experiments on the production and characterization of POS from onion hulls were conducted. The results revelaed that the most suitable enzyme for POS production from onion hulls is endo-polygalacturonase M2. The POS produced from onion hulls were present in the form of DP1 -DP10 in substituted as well as unsubstituted forms. This study clearly demonstrates that continuous production of POS from pectin rich sources can be achieved by using cross flow continuous enzyme membrane reactor.

Questa ricerca riguarda la produzione di oligosaccaridi pectici (POS) a partire da residui agro-industriali, con particolare attenzione allo sviluppo di un processo a flusso continuo mediante un bioreattore a membrane. Gli Oligosaccaridi pectinici hanno recentemente guadagnato l'attenzione del mercato dei mangimi della grazie alla loro attività prebiotica. La Mancanza di informazioni sulla produzione in continuo di POS da residui agroindustriali ha costituito la base per il presente studio. In particolare, quattro tipi di residui, cioè polpa di barbabietola da zucchero, bucce di cipolla, scarto pressato di zucca e bacche vinacce sono state prese in esame per lo studio del loro contenuto di pectina. Lo studio della composizione in zuccheri degli scarti utilizzati ha permesso di osservare un elevato contenuto sia di acido galatturonico sia di ramnosio (omogalatturonano e ramnogalatturonano) nella polpa della barbabietola da zucchero; è stato inoltre osservato un elevato contenuto di acido galatturonico (solo omogalatturonano) negli scafi di cipolla. Sulla base di questi risultati, il metodo di estrazione delle pectine è stato ottimizzato per I diversi scarti (causando danni minimi alle catene pectiche).I solventi più adatti all’estrazione di pectine dalla polpa della barbabietola e dagli scafi di cipolla sono stati rispettivamente l’acido nitrico ed il sodio esametafosfato.Ulteriori esperimenti sulla produzione continua di POS dalla polpa di barbabietola da zucchero in un reattore a membrana enzimatica sono stati condotti. I diversi esperimenti di ottimizzazione hanno indicato che la produzione dei POS da tale scarto può essere effettuata in modo ottimale utilizzando l’enzima Visozyme ed una concentrazione del substrato di 25 g/l. I risultati hanno evidenziato che la produzione di POS nello stato stazionario, con produttività volumetrica e specifica di 22 g / L / h e 11 g / GE / h rispettivamente, potrebbe essere raggiunto mediante continua filtrazione dalla polpa della barbabietola da zucchero usando una membrane con cut-off di peso molecolare di 10 kDa ed un tempo di residenza di 20 minuti. La resa in POS di circa l'80% potrebbe essere ottenuta utilizzando le condizioni di cui sopra. Inoltre, in questa tesi sono stati condotti esperimenti preliminari per la produzione e caratterizzazione di POS da scafi di cipolla. I risultati hanno mostrato che l’enzima più adatto in questo caso è l’endo-poligalatturonasi M2. I POS prodotti a partire da scafi di cipolla erano presenti in forma di DP1 -DP10 sia nella foma sostituita cosi come nella forma libera. Questo studio dimostra chiaramente come la produzione continua di POS da fonti ricche in pectina può essere ottenuto utilizzando un flusso incrociato e continuo in un reattore a membrana enzimatica.