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Dec 20, 2023

Valorisation de la paille de riz, de la bagasse de canne à sucre et de la bagasse de sorgho doux pour la production de bioéthanol et de phénylacétylcarbinol

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 727 (2023) Citer cet article

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La combustion à l'air libre des résidus agricoles entraîne de nombreuses complications, notamment la pollution par les particules dans l'air, la dégradation des sols, le réchauffement climatique et bien d'autres. Comme ils possèdent un potentiel de bioconversion, les résidus agro-industriels, notamment la bagasse de canne à sucre (SCB), la paille de riz (RS), la rafle de maïs (CC) et la bagasse de sorgho sucré (SSB) ont été choisis pour l'étude. Des souches de levure, Candida tropicalis, C. shehatae, Saccharomyces cerevisiae et Kluyveromyces marxianus var. marxianus ont été comparés pour leur potentiel de production de bioéthanol et de phénylacétylcarbinol (PAC), un intermédiaire dans la fabrication de produits pharmaceutiques cruciaux, à savoir l'éphédrine et la pseudoéphédrine. Parmi les substrats et levures évalués, le RS cultivé avec C. tropicalis a produit une concentration d'éthanol significativement (p ≤ 0,05) plus élevée à 15,3 g L−1 après 24 h de culture. Le rendement en produit par substrat (Yeth/s) était de 0,38 g g-1 avec une productivité volumétrique (Qp) de 0,64 g L-1 h-1 et une efficacité de fermentation de 73,6 % sur la base d'un rendement théorique de 0,51 g d'éthanol/g de glucose. C. tropicalis cultivé en milieu RS a produit 0,303 U mL−1 de pyruvate décarboxylase (PDC), une enzyme clé qui catalyse la production de PAC, avec une activité spécifique de 0,400 U mg−1 de protéine après 24 h de culture. Cette présente étude a également comparé la biomasse des cellules entières de C. tropicalis avec sa préparation PDC partiellement purifiée pour la biotransformation des PAC. Les cellules entières C. tropicalis PDC à 1,29 U mL-1 ont produit une concentration globale de 62,3 mM de PAC, soit 68,4 % de plus que la préparation enzymatique partiellement purifiée. Les résultats suggèrent que la valorisation des résidus lignocellulosiques en bioéthanol et CAP contribuera non seulement à atténuer le défi environnemental posé par leur environnement, mais a également le potentiel d'améliorer la bioéconomie.

En raison de la population mondiale qui devrait atteindre plus de 9 milliards d'ici 2050 et 11 milliards d'ici 21001, l'approvisionnement alimentaire adéquat est remis en question dans un avenir proche. Pour vaincre cela, la communauté scientifique a exploité diverses stratégies de prévention de la détérioration des aliments2,3 et prolongé leur durée de conservation4,5 tout en cherchant à identifier des microbes utiles pour l'industrie alimentaire6. En ce qui concerne l'Objectif de développement durable 2 (Faim zéro), il y a eu des progrès remarquables dans la production de volaille, de bétail et de cultures, qui contribuent en outre à l'évolution des déchets alimentaires et agricoles7. Les déchets alimentaires peuvent être recyclés en produits commercialement viables, par exemple, ils sont utilisés comme matières premières pour la fabrication de bioplastiques et de biocarburants en plus de l'extraction de composants à valeur ajoutée8. Les déchets alimentaires sont également valorisés dans des procédés industriels de production de biocarburants ou de biopolymères9,10. D'autre part, les résidus agro-industriels peuvent être utilisés pour la biomasse en énergie, la production de champignons, la production de carton/papier et d'autres applications hors exploitation11. Bien qu'ils puissent être recyclés pour la fabrication d'articles de valeur comme les panneaux de particules, les panneaux de particules, les bio-composites12 ou d'autres matériaux de construction13, le volume de résidus que ces alternatives peuvent actuellement utiliser ne représente qu'une fraction de ce qui est réellement produit11. Ainsi, dans de nombreux pays, en l'absence de bonnes pratiques de gestion et d'utilisation de cette énorme quantité de résidus, ils sont actuellement brûlés ou enfouis sous le sol, ce qui conduit à la pollution de l'air et de l'eau et au réchauffement climatique14. La combustion à l'air libre des résidus contribue à la pollution par les particules fines (PM), un important facteur de risque pour la santé qui contribue de manière significative à la mortalité dans plusieurs régions du monde, y compris l'Asie du Sud-Est. En 2019, une étude Global Burden of Disease (GBD) a classé l'exposition aux PM2,5 comme le 6e facteur de risque mondial de mortalité15. L'ampleur de l'incinération des déchets agricoles et ses conséquences catastrophiques sur la qualité de l'air sont classées comme le 7e facteur de risque de mortalité15,16,17 en Thaïlande, un important producteur agricole d'Asie du Sud-Est. Cette mauvaise gestion a engendré un besoin intense de trouver des stratégies pour une utilisation et une valorisation opportunes des résidus agricoles pour la durabilité et la sécurité alimentaire et sanitaire14.

Puisque les résidus de récolte et les déchets agro-industriels sont de la biomasse lignocellulosique composée de cellulose, de lignine et d'hémicellulose, ils peuvent être utilisés dans la production d'énergie verte et de produits à valeur ajoutée18 au lieu d'être brûlés. Une approche de bioraffinerie est un substitut cohérent et viable pour synthétiser divers bioproduits à partir de la biomasse lignocellulosique. Ils sont principalement composés de cellulose, d'hémicellulose et de lignine19 qui peuvent être hydrolysées chimiquement ou enzymatiquement pour donner respectivement des sucres fermentescibles, du glucose et du xylose, ainsi que du L-arabinose20,21. Dans le concept de bioraffinerie, utilisant la digestion anaérobie, la fermentation et le compostage, nous pouvons convertir l'abondante biomasse de déchets en produits de bioraffinerie tels que les biocarburants, les biofertilisants, les bioplastiques, les enzymes, les acides organiques et d'autres produits chimiques à valeur ajoutée22,23,24. La bagasse de canne à sucre, la paille de riz, les rafles de maïs et la bagasse de sorgho sucré, qui sont les déchets de biomasse les plus courants générés par les agro-industries en grandes quantités chaque année, sont des matériaux appropriés pour la conversion de la bioraffinerie en produits à valeur ajoutée.

Dans le scénario actuel, la communauté scientifique travaille intensivement pour rechercher des sources d'énergie alternatives, durables et respectueuses de l'environnement pour lutter contre la forte demande énergétique. Le bioéthanol est l'une des sources d'énergie renouvelables et alternatives les plus appropriées pour remplacer les combustibles fossiles. Ainsi, les chercheurs sont actifs dans la production de bioéthanol par fermentation microbienne à partir de déchets peu coûteux tels que la lignocellulose25,26 car non seulement ils sont abondants mais aussi ne concurrencent pas la production alimentaire, ce qui n'affecte pas la sécurité alimentaire. À cet égard, une bioraffinerie peut être exploitée systématiquement pour atteindre une production zéro déchet27 en fabriquant des produits chimiques à haute valeur ajoutée en plus du bioéthanol, car cela augmentera également la rentabilité du bioprocédé.

La pyruvate décarboxylase (PDC) est une enzyme clé impliquée dans la production de bioéthanol en catalysant le pyruvate en acétaldéhyde et en dioxyde de carbone par une réaction de décarboxylation28. Le PDC, en plus de la décarboxylation, effectue également une réaction de carboligation dans laquelle il relie une liaison carbone du benzaldéhyde à l'acétaldéhyde actif, ce qui entraîne la production de R-phénylacétylcarbinol (PAC), un précurseur majeur impliqué dans la fabrication de produits pharmaceutiques, à savoir l'éphédrine et la pseudoéphédrine. L'éphédrine et la pseudoéphédrine sont utilisées pour prévenir ou soulager la respiration sifflante associée à l'asthme29, pour soulager l'hypotension artérielle pendant la rachianesthésie ou la péridurale30, dans la prise en charge et le traitement de l'hypotension cliniquement significative31, agir comme décongestionnant qui réduit la congestion nasale32. D'après la littérature, il est également clair que l'éphédrine est un médicament pharmaceutique qui présente plusieurs actions d'adrénaline et qu'elle est utilisée dans la préparation de la gestion de l'obésité et de la médecine sportive33. De nombreux chercheurs ont récemment signalé que l'éphédrine pourrait être un candidat neuroprotecteur clinique pour le traitement de l'AVC ischémique cérébral34 et des lésions cérébrales35. De plus, l'éphédrine pourrait avoir des effets protecteurs contre la maladie pulmonaire obstructive chronique36 et l'un des choix standard d'agents vasopresseurs pour compenser les conséquences de maladies potentiellement mortelles telles que l'infection, l'insuffisance cardiaque et l'anaphylaxie pendant les interventions chirurgicales37,38. En raison de son impact significatif dans le domaine médical, le médicament éphédrine est inscrit dans la 21e édition de la liste modèle des médicaments essentiels de l'OMS39. Ces développements récents dans le domaine médical révèlent que l'éphédrine a des applications potentielles dans le secteur pharmaceutique et que son marché mondial devrait augmenter à un rythme considérable et continuera à jouer un rôle important dans l'industrie pharmaceutique et les soins de santé publics et primaires à l'avenir. À cet égard, étant le précurseur de l'éphédrine, la production commerciale de PAC, qui est évaluée à 146 USD/kg40, se fait par décarboxylation du pyruvate suivie de la carboligation du benzaldéhyde41 en transférant « l'acétaldéhyde actif » lié à une enzyme sur le benzaldéhyde via une addition nucléophile42.

Différentes espèces de levures, de champignons et de bactéries ont été utilisées pour le processus de biotransformation ci-dessus par plusieurs chercheurs43,44,45,46. Dans une étude menée par Rosche et al.47, 105 souches de levure ont été criblées pour la production de CAP et trois espèces de Candida sp. ont été identifiés comme les candidats les plus intéressants car ils produisaient des PAC plus élevés avec une faible inactivation par le benzaldéhyde et l'acétaldéhyde. Les mêmes auteurs dans une autre étude ont rapporté que Rhizopus javanicus était un producteur potentiel de CAP parmi 14 champignons producteurs d'éthanol sur la base d'un rendement plus élevé et d'une croissance rapide48. De même, dans nos recherches précédentes, 50 souches microbiennes ont été criblées pour la production d'éthanol et de PAC et les résultats ont indiqué que C. tropicalis s'est avéré supérieur parmi les autres souches49. Dans une autre étude rapportée par Miguez et al.45, Kluyveromyces marxianus, Saccharomyces cerevisiae et S. pastorianus ont été sélectionnés comme meilleurs producteurs pour la production de CAP. En ce qui concerne la production d'éthanol et de CAP dans un processus intégré, la sélection de souches microbiennes appropriées pour la production de CAP dépend non seulement d'un rendement plus élevé et d'une tolérance à la toxicité du benzaldéhyde, mais également de sa capacité à utiliser les sources de carbone disponibles dans les résidus agro-industriels, capables de produire une quantité appréciable d'éthanol et de biomasse. Ainsi, dans la présente étude, quatre souches de levure, C. tropicalis TISTR 5306, C. shehatae TISTR 5843, S. cerevisiae TISTR 5606 et K. marxianus var. marxianus TISTR 5057 ont été pris en compte pour l'étude détaillée. La justification de la sélection de C. tropicalis TISTR 5306 et de S. cerevisiae TISTR 5606 était que ces souches obtenaient de bons résultats dans la production d'éthanol et de PAC dans nos études précédentes50,51. C. shehatae TISTR 5843 et K. marxianus var. marxianus TISTR 5057 ont été inclus dans cette étude pour leurs capacités à consommer des sucres pentoses.

Bien que plusieurs données de recherche aient été rapportées précédemment sur la production d'éthanol à partir de résidus agro-industriels, il s'agit de la première étude du genre à évaluer différents résidus agro-industriels sur la production simultanée de bioéthanol et d'enzyme PDC. L'étude a également étudié l'influence de la biomasse des cellules entières et de l'enzyme PDC partiellement purifiée sur la production de PAC dans un système de biotransformation à double couche. Cette approche de bioraffinerie utilisera les sucres présents dans les matières premières comme source de carbone pour l'éthanol et la biomasse contenant du PDC générée lors de la fermentation pourrait être utilisée pour la synthèse de PAC. L'intégration de la production de CAP et de bioéthanol améliorera la rentabilité et la productivité globales des deux produits. Par conséquent, dans la présente étude, des expériences ont été conçues pour sélectionner une matière première et une souche de levure appropriées pour une production optimale d'éthanol et de PDC, ainsi que des études de biotransformation pour l'évaluation de la synthèse des PAC.

Les déchets agricoles et agro-industriels, y compris les épis de maïs (CC) et la paille de riz (RS) obtenus auprès de l'Office provincial de l'élevage de Chiang Mai, la bagasse de canne à sucre (SCB) de Kaset Thai International Sugar Corporation et la bagasse de sorgho sucré (SSB) d'une ferme locale du district de Saraphi ont été lavés à l'eau du robinet deux fois et séchés au soleil pendant 24 h. Tous les matériaux agricoles, à l'exception du CC, ont été hachés en petits segments (d'environ 1 à 3 cm de longueur) tandis que le CC a été réduit en petits grains (d'environ 0,3 à 0,5 cm de diamètre) avec un stockage à sec à 25 ° C. La cellulase de Trichoderma reesei a été achetée auprès de Vland Biotech Group Co. Ltd, Chine. L'activité cellulase a été déterminée par la méthode décrite par Ghose52 où l'activité enzymatique volumétrique initiale était de 103 ± 3 FPU mL-1 avant l'étude. La norme R-PAC (basée sur la projection de Fischer - une configuration absolue, qui équivaut à L-PAC) a été achetée auprès de Toronto Research Chemicals, Toronto, Canada. Tous les autres produits chimiques et sucres standards ont été achetés chez Sigma-Aldrich/Merck, Burlington, MA, USA. Les réactifs et solvants utilisés dans cette étude étaient de qualité analytique.

Les levures productrices d'éthanol fournies par l'Institut thaïlandais de recherche scientifique et technologique (TISTR), Bangkok, Thaïlande, étaient notamment C. tropicalis TISTR 5306, C. shehatae TISTR 5843, S. cerevisiae TISTR 5606 et K. marxianus var. marxianus TISTR 5057. Le stock a été maintenu dans du glycérol à 80 % (v/v) à – 20 °C53. Les levures ont été cultivées sur de la gélose Yeast Extract Peptone Dextrose (YPD) (extrait de levure 10 g L-1, peptone 10 g L-1, gélose 20 g L-1 et glucose 20 g L-1) puis cultivées dans un bouillon YPD à 30 ° C, 250 tr/min pendant 24 h et évaluées pour la viabilité des cellules. Le comptage des cellules de levure a été effectué avec un hémocytomètre (Chambre de comptage, modèle : PM MFR 650030, Haryana, Inde) par coloration avec 0,1 % (p/v) de bleu de méthylène pour distinguer les cellules vivantes et mortes, comme décrit par Borzani et Vario54. Toutes les souches de levure avaient un nombre de cellules viables > 95 % et ont été utilisées comme culture starter avec une inoculation à 10 % (v/v)55.

Les matières premières ont été prétraitées par mise en suspension à 6,20 % (p/v) dans de l'eau distillée ou une solution d'hydroxyde de calcium (1,84 % p/v) et incubées à 100 °C pendant 4 h. La sélection de l'hydroxyde de calcium pour le prétraitement était basée sur les résultats de nos recherches précédentes qui comparaient les stratégies de prétraitement entre l'hydroxyde de calcium, l'acide sulfurique, l'hydroxyde de sodium et le peroxyde d'hydrogène avec les résultats optimaux en termes de concentration globale de sucres, de rendement et de coût de production (données non publiées). De plus, les avantages du prétraitement à l'hydroxyde de calcium ont été soulignés et appliqués avec succès à d'autres études de notre groupe56. Le prétraitement avec de l'eau distillée a été pris comme témoin pour comparaison. Les matériaux prétraités récupérés par filtration ont été lavés dans de l'eau et mis en suspension avec un tampon d'acétate de sodium (50 mM, pH 4,8) à un rapport 1: 5 (solide: liquide). Une expérience préliminaire consistant en différents rapports solide à liquide a été comparée pour le rendement en sucres pendant la méthode de prétraitement et le rapport solide à liquide de 1: 5 s'est avéré idéal, ce qui a entraîné la libération de sucres plus élevés (données non publiées). L'hydrolyse enzymatique des matériaux prétraités a été réalisée par l'ajout d'enzyme cellulase (10 % v/v) à 50 °C pendant 48 h dans des conditions d'agitation à 200 tr/min comme décrit par Wattanapanom et al.56. L'hydrolysat a été filtré en utilisant un tissu de mousseline à double couche pour éliminer les matières insolubles grossières. L'interférence possible des particules fines insolubles qui ont échappé au processus de filtration sur tissu de mousseline au début de la culture microbienne lors de la détermination de la concentration de biomasse séchée à un moment précis pourrait être supprimée par le calcul de décalage des valeurs déterminées par rapport à celle au temps zéro. La nature et la concentration des sucres dans l'hydrolysat après hydrolyse enzymatique ont été analysées par HPLC. Les trois premiers substrats avec le rendement total en sucres le plus élevé ont été choisis pour l'expérience suivante.

Comme il a été démontré que le CC avait un niveau relativement inférieur de sucres totaux de la section précédente du prétraitement et de la saccharification enzymatique, il a été éliminé au cours du processus de sélection. L'expérience a été mise en place pour évaluer l'influence des substrats (SCB, RS et SSB) sur la croissance microbienne et la production d'éthanol en utilisant C. tropicalis. Les conditions de culture étaient similaires à celles décrites précédemment par Nunta et al.51. En bref, un inoculum de graines de 10 ml provenant d'un stock de glycérol a été cultivé dans un flacon Erlenmeyer de 250 ml avec 90 ml d'hydrolysat additionné de sulfate d'ammonium (8, 52 g L-1) comme source d'azote, à 250 tr / min, 30 ° C et intervalles d'échantillonnage à 0, 24 et 48 h en triple exemplaire. La méthodologie de classement des scores a été adaptée de Nunta et al.51 et Tangtua et al.49 pour évaluer le substrat le plus approprié pour d'autres expériences. La valeur la plus élevée des données brutes tenant compte de tous les réplicats pour chaque critère tels que les sucres totaux initiaux, l'éthanol et la concentration de biomasse séchée a été attribuée à un score de 100 et les autres valeurs ultérieures ont ensuite été converties proportionnellement à la même échelle.

Dans cette expérience, les levures, C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus ont été évaluées pour la production de biomasse, d'éthanol et d'activité PDC sur le substrat sélectionné de la section ci-dessus. L'inoculum des graines a été préparé en inoculant des levures dans 50 ml de milieu de culture de levure dans des flacons Erlenmeyer de 250 ml et incubé à 250 tr/min pendant 24 h à 30 ± 1 °C. Le milieu de culture de 450 mL d'hydrolysat additionné de sulfate d'ammonium (8,52 g L-1) comme source d'azote a été transféré avec l'inoculum des graines à 10 % (v/v) dans un flacon Erlenmeyer de 1 L et incubé à 250 tr/min pendant 48 h à 30 ± 1 °C49. Comme observé dans nos recherches précédentes51, ces conditions de culture fournissent un environnement aérobie initial suffisant pour produire suffisamment de biomasse cellulaire et pour initier une condition aérobie partielle pour la production ultérieure d'éthanol et l'activité PDC. Les expériences ont été réalisées en triple exemplaire et les échantillons ont été prélevés à 0, 24 et 48 h pour évaluer la consommation de sucres ainsi que la production d'éthanol, de biomasse séchée et d'activité PDC. Les paramètres cinétiques associés ont également été déterminés pendant deux intervalles de 0–24 et 24–48 h. La stratégie de classement des scores a été utilisée pour évaluer la levure appropriée avec un substrat sélectionné pour les études de biotransformation ultérieures.

Des études de biotransformation ont été réalisées comme décrit par Leksawasdi et al.57 et Gunawan et al.58 avec de légères modifications. La biomasse humide pré-congelée de C. tropicalis à une concentration de cellules entières de 12,24 g L-1 a été préparée avec une activité PDC volumétrique initiale de 1,29 ± 0,12 U mL-1. Le PDC partiellement purifié (0,32 ± 0,04 U mL-1) a également été préparé et extrait à partir de 12,24 g L-1 de biomasse humide sur la base d'une stratégie publiée précédemment55. La biomasse humide ou le PDC partiellement purifié en tant que biocatalyseurs ont été ajoutés au système biphasique composé d'une phase aqueuse constituée de 125 mL de tampon phosphate 1 M (pH 6,4/1 M H3PO4), de pyruvate (240 mM), de pyrophosphate de thiamine (1 mM) et de magnésium heptahydraté (1 mM) et d'une phase organique constituée de 125 mL d'huile végétale avec du benzaldéhyde (200 mM)59. La biotransformation a été initiée en agitant le mélange pour former une émulsion de gouttelettes d'huile dans la phase aqueuse à 10 ° C pendant 6 h. Le processus de biotransformation a été réalisé dans des conditions aérobies, mais il convient de noter que l'oxygène n'était pas impliqué dans le processus de production de PAC qui reposait sur la décarboxylation et la carboligation au site actif du PDC. De plus, les biocatalyseurs utilisés dans l'étude actuelle n'étaient pas des cellules entières vivantes en phase de croissance ou de culture. Des échantillons des phases huileuse et aqueuse ont été prélevés à 0, 5, 30, 60, 120, 180, 240, 300 et 360 min en quintuplicate et de l'acide trichloroacétique (10 % (p/v)) a été ajouté avant centrifugation à 2822 × g pendant 5 min pour séparer les phases en vue d'analyses ultérieures.

Pour l'estimation de la biomasse séchée, le poids séché de la matière insoluble dans l'hydrolysat avant l'inoculation a d'abord été mesuré par séchage dans un four à air chaud (Daihan Lab Co., Ltd., Gangwon, Corée) à 105 ° C jusqu'à ce qu'un poids constant soit obtenu. Après inoculation, les échantillons prélevés à intervalles (0, 24 et 48 h) ont été centrifugés (Nuve, modèle n° NF 200, Ankara, Turquie) à 2822 × g pendant 15 min pour séparer le surnageant et le culot. Le culot a ensuite été lavé avec de l'eau distillée et analysé pour le poids total séché qui comprend la matière insoluble et le poids de la biomasse. Le poids sec initial de matière insoluble a été soustrait de cette valeur de poids sec total pour déterminer le poids réel de la biomasse séchée60. Le surnageant a été analysé pour le pH, les solides solubles totaux (TSS), les sucres (cellobiose, glucose, xylose, arabinose), l'éthanol et la concentration d'acide acétique. Le pH a été mesuré avec un pH-mètre numérique (Eutech Instruments, modèle pH 510, Nijkirk, Japon) et le TSS (° Brix) a été déterminé par un réfractomètre portatif (Atago, modèle n° N-1α, Tokyo, Japon). Les concentrations de sucres, d'éthanol et d'acide acétique ont été analysées par HPLC (Agilent Technologies, Santa Clara, Californie) comme décrit par Khemacheewakul et al.61 dans les conditions suivantes : 5 mM d'acide sulfurique dans de l'eau distillée en tant que phase mobile avec une colonne Aminex® HPX-87H Ion Exclusive et un détecteur d'indice de réfraction (RID) à un débit de 0,75 mL min-1. La température du four à colonne a été fixée à 40°C. Les paramètres cinétiques tels que la productivité volumétrique de l'éthanol (Qp), le taux de consommation de sucres totaux spécifiques (qs,tot), le taux de croissance spécifique (µ), le rendement d'éthanol produit par rapport aux sucres totaux consommés (Yeth/s), le rendement d'acide acétique produit par rapport aux sucres totaux consommés (Yace/s) et le rendement de la biomasse séchée produite par rapport aux sucres totaux consommés (Yx/s) ont été calculés sur la base de travaux publiés précédemment51,53. De même, l'efficacité de la fermentation (FE%) a été calculée à l'aide de la formule établie basée sur le glucose62 et présentée dans la section supplémentaire.

Pour la préparation de PDC partiellement purifié, une partie de la biomasse humide de levure (12,24 g) récupérée de la culture ci-dessus à 48 h à 1 L a été utilisée comme décrit par Tangtua et al.63. En bref, la biomasse a été ajoutée au tampon citrate (200 mM, pH 6, 0) avec des billes de verre (425–600 μm) à un rapport 1: 1 (p / p) aux cellules de levure et vortexée pendant 1 min pour rompre les cellules avec refroidissement intermittent sur glace pendant 1 min. Le vortex a été répété trois fois et la suspension résultante a été centrifugée à 2822 × g à 4 ° C pendant 15 min pour éliminer le culot. Le surnageant obtenu a été additionné d'acétone prérefroidi (-20 ° C) à 30% et laissé à 4 ° C pendant une nuit pour précipiter l'enzyme. Plus tard, la fraction d'acétone a été centrifugée à 12 122 × g à 4 ° C pendant 15 min pour recueillir le précipité et le surnageant a été additionné d'acétone à 40 % (v/v) et laissé à 4 ° C pendant la nuit. Le cycle de précipitation-centrifugation a été répété avec 50 et 60 % d'acétone et les précipités ont été regroupés et redissous dans du tampon citrate (200 mM), conservés à 4 °C pendant 4 h pour évaporer toute acétone résiduelle. La solution résultante a été évaluée pour l'activité enzymatique PDC51 et la concentration en protéines64 et utilisée pour le processus de biotransformation. L'activité PDC a été mesurée sous la forme d'une formation de PAC en 20 min à 25 ° C à partir de benzaldéhyde 80 mM et de pyruvate 200 mM dans un tampon carboligase43. L'activité carboligase à une unité a été définie comme la quantité d'enzyme capable de produire 1 µmol de PAC à partir de pyruvate et de benzaldéhyde par minute à pH 6,4 et 25 °C, comme spécifié par Rosche et al.43. La concentration en protéines a été déterminée selon le test de Bradford, avec de l'albumine sérique bovine comme protéine standard65 et l'activité carboligase spécifique a été exprimée en unité d'enzyme par milligramme de protéine (U mg-1). Le PAC, le benzaldéhyde, l'acide benzoïque et le pyruvate ont été déterminés par HPLC49,50 (Agilent Technologies) à 283 nm en utilisant 32 % (v/v) d'acétonitrile et 0,5 % (v/v) d'acide acétique dans de l'eau distillée comme phase mobile et une colonne Altima™ C8 avec détecteur à barrette de diodes (DAD). Le débit a été fixé à 1,0 mL min-1 et la température du détecteur a été fixée à 28 °C.

Les résultats ont été exprimés en moyenne ± erreur standard et les analyses ont été effectuées avec des progiciels statistiques pour les sciences sociales (SPSS, version 17.0) en utilisant des analyses de variance unidirectionnelles (ANOVA). Les différences statistiques entre les moyennes ont été déterminées à l'aide des comparaisons multiples de Duncan et considérées comme significatives à p ≤ 0,0560,61.

Les matières premières telles que CC, SCB, SSB et RS utilisées dans la présente étude étaient les principaux déchets agricoles et agro-industriels en Thaïlande et classées comme matières lignocellulosiques importantes. Le prétraitement initial était nécessaire pour libérer les sucres des matières premières devant servir de source de carbone aux levures66.

Il a été constaté que les matières premières lors du prétraitement libéraient des concentrations variables de sucres, comme indiqué dans le tableau 1. Le prétraitement avec 1,84 % (p/v) d'hydroxyde de calcium suivi d'une digestion enzymatique a produit une concentration de sucres significativement (p ≤ 0,05) plus élevée par rapport au traitement de l'eau avec digestion enzymatique. Il a été constaté que RS libérait la concentration de sucres la plus élevée avec 68,9 ± 0,63 g L−1 suivi de SSB (51,8 ± 0,45 g L−1), SCB (48,4 ± 0,17 g L−1) et CC (38,9 ± 0,44 g L−1). Il a été constaté qu'un prétraitement avec de l'hydroxyde de calcium suivi d'un traitement enzymatique libérait 23 % (p/p) de sucres de RS, ce qui était de 44 à 64 % supérieur par rapport aux autres substrats soumis à un traitement similaire. Le prétraitement à l'hydroxyde de calcium suivi du traitement enzymatique du CC a libéré la plus petite quantité de sucres dans l'hydrolysat par rapport à tout autre substrat. Contrairement aux résultats actuels, Sumphanwanich et al.67 ont comparé CC, SCB et RS dans la libération de sucres lors d'un traitement à l'acide dilué et ont constaté que CC produisait des sucres plus élevés que les autres matériaux lignocellulosiques comparés. Les teneurs élevées en hémicellulose et en lignine du CC par rapport à d'autres matériaux pourraient avoir entravé l'action de la cellulase pendant le traitement enzymatique, diminuant ainsi l'efficacité de l'hydrolyse pour libérer les sucres fermentescibles. Par conséquent, CC a été exclu des expériences ultérieures.

En outre, C. tropicalis, une levure capable de produire de l'éthanol et du PAC, a été utilisée pour cribler un substrat approprié parmi SCB, RS et SSB. Une culture submergée a été réalisée et des échantillons ont été analysés à des intervalles de 0, 24 et 48 h. Dans la présente étude, C. tropicalis cultivé en RS a entraîné une augmentation significative (p ≤ 0, 05) de 22% et 19% des rendements en biomasse séchée au bout de 48 h par rapport au SCB ou au SSB utilisés comme substrats respectivement (Fig. 1 et tableau supplémentaire S1). De plus, une baisse significative (p ≤ 0,05) du pH a été observée dans tous les substrats au bout de 48 h par rapport à leurs homologues initiaux. De même, une réduction significative (p ≤ 0,05) de 40 %, 49 % et 52 % des solides solubles totaux a également été observée au bout de 48 h pour SCB, RS et SSB, respectivement, par rapport à leurs homologues initiaux (tableau supplémentaire S1). Cette réduction des solides solubles est corrélée à l'utilisation de sources de carbone pour synthétiser l'énergie tandis que l'azote était utilisé dans les synthèses d'enzymes, de protéines, d'acide désoxyribonucléique (ADN) et d'acide ribonucléique (ARN)68.

Profils cinétiques des sucres totaux, sucres individuels (cellobiose, glucose, xylose et arabinose), niveaux de concentration en éthanol, acide acétique et biomasse séchée lors de la culture de C. tropicalis TISTR 5306 sur différents substrats, bagasse de canne à sucre (SCB) ; paille de riz (RS); bagasse douce de sorgho (SSB). L'erreur type dans tous les cas était soit dans la limite de sensibilité des procédures de détection, soit inférieure à 10 %.

Comme le montre la figure 1, la concentration initiale en sucre total était de 47,9 ± 0,3, 63,1 ± 3,1 et 47,0 ± 1,0 g L−1 et pendant la culture, les sucres consommés étaient de 92 %, 79 % et 84 % après 24 h et 94 %, 79 % et 95 % au bout de 48 h, respectivement, pour SCB, RS et SSB. La production maximale d'éthanol s'est produite à 24 h pour SCB et RS alors qu'elle était de 48 h pour SSB avec 17,7 ± 0,2, 18,6 ± 0,2 et 14,7 ± 0,5 g L−1 respectivement. D'autres paramètres cinétiques tels que Qp, µ, qs, tot, Yeth/s, Yace/s et Yx/s ont été présentés dans le tableau supplémentaire S2. Le Qp a été trouvé à 0,74, 0,78 et 0,31 g L−1 h−1 pour SCB, RS et SSB respectivement. D'après les résultats, on peut noter que les Yeth/s pendant la culture de C. tropicalis dans différents substrats étaient compris entre 0,33 et 0,40 g d'éthanol produit g−1 sucres consommés pendant les 0–24 h initiales de culture et 0,33 et 0,37 pendant 0–48 h. Le Yeth/s le plus élevé a été obtenu avec SCB et RS sans différence significative (p > 0,05) dans le rendement.

D'après l'analyse du classement des scores (tableau 2), RS s'est avéré supérieur en termes de production d'éthanol et de biomasse et a été sélectionné pour d'autres études. Contrairement aux résultats, Sumphanwanich et al.67 ont déclaré que la production d'éthanol par S. cerevisiae sur l'hydrolysat de RS était inférieure à celle de la bagasse et du CC. Cependant, leurs résultats correspondaient à la teneur initiale en sucre des substrats. Dans la présente étude, RS s'est avéré avoir la teneur initiale en sucre la plus élevée par rapport aux autres substrats pour produire un éthanol plus élevé.

Les levures, C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus, ont été évaluées dans cette étude car il est possible que les enzymes PDC de différentes levures productrices d'éthanol aient une activité enzymatique différente. S. cerevisiae est la souche de levure la plus populaire et la plus utilisée pour produire de l'éthanol, car elle peut supporter des concentrations élevées d'éthanol par rapport à de nombreuses autres levures69. Malgré cela, les levures C. tropicalis, C. shehatae et K. marxianus ont été incluses dans l'étude car elles peuvent utiliser des sucres pentoses (xylose et arabinose), que S. cerevisiae ne peut pas utiliser, en plus des sucres hexoses (saccharose et glucose). De plus, la levure C. tropicalis est résistante aux substances dégradantes dérivées de la lignine qui ont un effet inhibiteur sur la croissance des levures70,71,72,73. Ainsi, les quatre levures ci-dessus ont été évaluées pour leur potentiel en fermentant le substrat RS et les changements de paramètres survenus au cours de la culture sont présentés à la Fig. 2 et au tableau supplémentaire S3. Les données pour le pH et le TSS sont présentées dans le tableau supplémentaire S3. Il y a eu une diminution significative (p ≤ 0,05) observée du pH pendant la culture de 0 à 24 h et encore une légère diminution entre 24 et 48 h. L'extrait sec soluble initial était compris entre 12,5 ± 0,3 et 12,7 ± 0,07°Brix parmi les levures étudiées. C. tropicalis a montré une utilisation maximale des solides après 48 h de culture par rapport aux autres levures et cela ressort de l'analyse de la consommation totale de sucres après 48 h. Aucune différence significative (p > 0,05) n'a été observée dans la concentration de la biomasse séchée entre C. tropicalis, C. shehatae et S. cerevisiae alors qu'une production de biomasse plus faible a été observée avec K. marxianus par rapport aux autres levures après 48 h de culture. Alors que d'autres levures produisaient des Yx/s compris entre 0,05 ± 0,01 et 0,08 ± 0,01 gg−1, K. marxianus ne produisait que 0,03 ± 0,01 g de biomasse produite g−1 de sucres consommés.

Profils cinétiques des sucres totaux, des sucres individuels (cellobiose, glucose et xylose), de l'éthanol, de l'acide acétique et des niveaux de concentration de la biomasse séchée lors de la culture de différentes levures, à savoir C. tropicalis TISTR 5306, C. shehatae TISTR 5843, S. cerevisiae TISTR 5606 et K. marxianus var. marxianus TISTR 5057 avec de la paille de riz comme substrat. Les erreurs types dans tous les cas étaient soit dans la limite de sensibilité des procédures de détection, soit inférieures à 10 %.

La concentration initiale en sucre total avant la culture était de 61,6 ± 0,6, 62,4 ± 1,4, 62,2 ± 0,3 et 61,6 ± 0,7 g L−1 pour C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus respectivement. Il a été observé que C. tropicalis et S. cerevisiae consommaient 66,0 % et 65,0 % des sucres totaux pour produire un maximum d'éthanol après 24 h de culture avec des niveaux de concentration de 15,2 ± 0,3 et 14,5 ± 0,08 g L-1 d'éthanol, respectivement. Cependant, C. shehatae et K. marxianus ont produit une concentration maximale d'éthanol seulement après 48 h de culture avec la consommation de 50,6 % et 63,2 % de sucres totaux à 11,1 ± 0,27 et 11,8 ± 0,17 g L-1 d'éthanol, respectivement.

La comparaison des cinétiques est présentée dans le tableau supplémentaire S4. Le Qp est de 0,64, 0,23, 0,61 et 0,25 g L−1 h−1 pour C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus respectivement. Les Yeth/s obtenus avec C. tropicalis se sont révélés être respectivement de 8,6, 5,5 et 31,0 % supérieurs à ceux de C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus. après 24h de culture. Le FE de cette expérience a été calculé à 74,5 %, 70,6 %, 68,6 % et 58,8 %, respectivement pour C. tropicalis, S. cerevisiae, C. shehatae et K. marxianus sur la base d'un rendement théorique de 0,511 g d'éthanol g-1 de glucose74. Le rendement en éthanol plus élevé avec C. tropicalis par rapport aux autres levures est attribué à la tolérance de l'ancienne levure à la température, à l'éthanol et aux polyphénols toxiques de type lignine, ainsi qu'à la capacité d'utiliser les sucres pentoses présents dans l'hémicellulose des produits agro-industriels70.

Avec C. tropicalis et S. cerevisiae, la concentration en éthanol a encore diminué à 48 h de culture avec l'épuisement du glucose dans le milieu. Cela pourrait être dû au fait que lorsque le glucose devient rare, l'éthanol produit pendant la culture est utilisé comme source de carbone, nécessitant un passage à la respiration comme une adaptation qui entraîne une reprogrammation massive de l'expression des gènes75. Cela pourrait avoir entraîné la formation d'acide acétique après 24 h de culture. Le rendement en acide acétique (Yace/s) était bien plus élevé pour S. cerevisiae en fin de culture, il n'était pas significativement différent parmi les levures sauf C. shehatae (tableau supplémentaire S4). C. tropicalis et S. cerevisiae, lorsqu'ils sont cultivés dans un milieu déficient en glucose, pourraient avoir converti l'acétaldéhyde généré à partir de l'éthanol en acide acétique par l'action de l'aldéhyde déshydrogénase76. À l'avenir, la réduction de la formation de sous-produits, en particulier l'acide acétique, est une préoccupation particulière dans le développement d'un bioprocédé compétitif pour décider de l'économie globale du procédé77.

Il n'y a eu qu'une réduction négligeable du xylose observée chez C. tropicalis pendant une culture de 0 à 24 h, ce qui indique que les levures à fermentation de pentose, en particulier Candida sp. utilisent préférentiellement le glucose dans des mélanges de sucres pentoses et hexoses en raison de la répression sévère du catabolisme des sucres pentoses78. Une fois le glucose consommé, les enzymes du catabolisme des sucres pentoses sont synthétisées, comme en témoigne la présente étude où 30% (p / v) de xylose ont été utilisés pendant 24 à 48 h (Fig. 2). Cependant, le reste des levures n'a pas consommé de xylose car elles préfèrent d'autres sucres hexoses ou pentoses plutôt que du xylose pour leur croissance79. De même, aucune des levures utilisées dans l'étude ne pourrait utiliser efficacement le cellobiose car elles manquent à la fois d'un transporteur de cellobiose et d'une β-glucosidase capable d'hydrolyser le cellobiose en glucose80. Cependant, Zheng et al.81 ont démontré que C. molishiana était capable d'utiliser le cellobiose en plus du glucose et de produire de l'éthanol. L'accumulation de cellobiose dans la présente étude pourrait être due à l'action inhibitrice du glucose par une forte rétro-inhibition du produit. Par exemple, les activités endoglucanase et ß-glucosidase sont nécessaires pour décomposer la cellulose en cellobiose et le cellobiose en glucose, respectivement. Cependant, l'accumulation de glucose peut inhiber la ß-glucosidase et le cellobiose peut inhiber l'activité de l'endoglucanase82. Ainsi, l'utilisation d'un rapport synergique d'endoglucanase et de β-glucosidase peut produire une quantité élevée de glucose et donc d'éthanol. Cela permettra également de surmonter la rareté du glucose dans le milieu et d'améliorer le rapport éthanol/acide acétique.

Les levures récupérées du bouillon de culture par centrifugation ont été lysées et analysées pour l'activité PDC. La figure 3 et le tableau supplémentaire S5 montrent l'activité enzymatique et spécifique du PDC dans la biomasse de C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus. La concentration en enzyme s'est avérée plus élevée au cours de la phase initiale de culture (jusqu'à 24 h) avec une nouvelle diminution observée après 48 h de culture. Parmi les levures, une concentration plus élevée a été observée chez C. tropicalis avec 0,303 ± 0,020 U mL−1 et une activité spécifique de 0,469 ± 0,053 U mg−1 de protéine après 24 h de culture. En revanche, C. shehatae possédait la plus faible activité enzymatique volumétrique avec 0,053 ± 0,004 U mL−1, soit 6 fois moins que C. tropicalis après 24 h de culture.

Activité intracellulaire de la pyruvate décarboxylase (PDC) des levures pendant la culture avec de la paille de riz comme substrat (a) Activité enzymatique PDC volumétrique du lysat de cellules ; ( b ) Activité enzymatique PDC spécifique du lysat de cellules. Les barres d'erreur indiquent l'erreur standard par rapport à la moyenne (n = 3). Les moyennes avec différents alphabets majuscules ont indiqué une différence significative (p ≤ 0,05) entre les intervalles de temps de la même espèce de levure. Les moyennes avec différents alphabets minuscules ont indiqué une différence significative (p ≤ 0,05) entre les points de temps respectifs parmi les espèces de levure.

D'après l'analyse du classement des scores, comme indiqué dans le tableau 3, C. tropicalis s'est avéré supérieur pour l'éthanol, la production de biomasse et l'activité enzymatique PDC avec un score total de 368 ± 7 sur 400, suivi de C. shehatae, K. marxianus et S. cerevisiae. Ainsi, C. tropicalis a été soumis à d'autres études de biotransformation pour synthétiser les PAC à partir des précurseurs, le pyruvate et le benzaldéhyde.

Des études de biotransformation ont été menées dans un système liquide à deux couches avec soit une biomasse de cellules entières de levure C. tropicalis, soit son enzyme partiellement purifiée. La raison d'avoir une biotransformation dans un système à double couche est que le précurseur, le benzaldéhyde, soluble uniquement dans la phase organique, empêchera son interaction avec le PDC présent dans la phase aqueuse, préservant ainsi la stabilité de l'enzyme83. Il existe plusieurs solvants, notamment l'octanol, l'heptanol, l'hexanol, le butanol et de nombreux autres qui peuvent être utilisés comme système de phase organique pour le processus de biotransformation50. Cependant, en raison de leurs coûts plus élevés, une huile végétale a été utilisée comme phase organique dans la présente étude pour réduire le coût de production. Bien que le tampon MOPS utilisé dans la phase aqueuse puisse aider à maintenir la stabilité de l'enzyme PDC, son coût relativement élevé entravera son application dans une mise à l'échelle industrielle. Ainsi, le tampon phosphate utilisé dans la présente étude pourrait être un remplacement approprié à faible coût du tampon MOPS61.

D'après les résultats, il a été observé que la biomasse de C. tropicalis (12,24 g L-1) équivalente à 1,29 ± 0,12 U mL-1 était capable de produire des PAC avec une concentration globale de 32,6 ± 1,6 mM à 60 min et la concentration augmentait avec le temps de réaction pour atteindre le double au bout de 6 h (Fig. 4a et Tableau supplémentaire S6). En d'autres termes, les cellules entières de C. tropicalis PDC à 1,29 U/mL ont produit une production volumétrique de 1,56 g PAC L−1 h−1 à 10 °C avec une productivité spécifique de 3,05 gg−1 biomasse h−1. La phase organique représentait une formation de PAC significativement plus élevée (p ≤ 0,05) par rapport à la phase aqueuse, ce qui corrobore les résultats de Rosche et al.41 qui ont rapporté une concentration de PAC de 687 mM dans la phase d'octanol organique alors que la phase aqueuse n'en avait que 86,7 mM. De même, Agustina et al.50 ont découvert que dans la couche organique, la concentration de PAC était aussi élevée que 19,6 mM, tandis que la couche tampon n'avait que 1,76 mM.

Biotransformation du phénylacétylcarbinol (PAC) dans un système à deux couches. ( a ) concentration de PAC lorsque la biomasse de cellules entières de C. tropicalis a été utilisée comme biocatalyseur ; ( b ) Concentration de PAC lorsque du PDC partiellement purifié a été utilisé comme biocatalyseur. Les barres d'erreur indiquent l'erreur standard par rapport à la moyenne (n = 3). Les moyennes avec différents alphabets majuscules ont indiqué une différence significative (p ≤ 0,05) entre la phase aqueuse, la phase huileuse et l'ensemble, du même temps de réaction. Les moyennes avec différents alphabets minuscules ont indiqué une différence significative (p ≤ 0,05) entre les intervalles de temps de la couche respective.

En plus de la biomasse entière de C. tropicalis, l'enzyme PDC dérivée de sa biomasse a également été utilisée pour le processus de biotransformation. Les résultats ont montré que la concentration globale de PAC la plus élevée était de 19, 7 ± 2, 2 mM à 60 min et diminuait davantage à mesure que le temps de réaction augmentait à 6 h (Fig. 4b et tableau supplémentaire S7). Il a été observé qu'aucune différence significative (p > 0,05) de concentration en PAC entre la couche aqueuse et la couche organique du système de biotransformation. Contrairement à la présente étude, Sandford et al.84 ont découvert que la production de PAC dans un système à deux liquides avec des enzymes PDC partiellement purifiées de C. utilis produisait des PAC jusqu'à 937 mM dans la couche organique et 127 mM dans la couche aqueuse. Il a également été noté que dans la présente étude, la biotransformation impliquant une enzyme partiellement purifiée a produit moins de PAC par rapport à la biomasse de cellules entières de C. tropicalis. La production plus élevée de PAC obtenue avec le PDC de cellules entières par rapport au PDC partiellement purifié pourrait être liée à une stabilité enzymatique plus élevée dans la préparation de cellules entières85. Cela est dû aux phospholipides en tant que composant cellulaire qui agit comme une barrière de l'enveloppe cellulaire et donne une protection physique aux enzymes à l'intérieur des cellules86. De plus, la préparation enzymatique sans cellules peut entraîner la désactivation du PDC par le substrat benzaldéhyde87. Cela ressort d'une étude menée par Satianegara et al.85 qui ont rapporté une perte de 86 % de la demi-vie du PDC partiellement purifié par rapport à seulement 62 % pour la préparation de cellules entières à 4 °C en présence de benzaldéhyde 50 mM.

Dans la présente étude, soit une biomasse de cellules entières (12,24 g L-1) avec une activité PDC volumétrique initiale de 1,29 ± 0,12 U mL−1 ou une enzyme partiellement purifiée isolée à partir de 12,24 g de biomasse avec une activité de 0,32 ± 0,04 U mL−1 a été utilisée comme biocatalyseurs. Bien que l'activité PDC initiale entre les catalyseurs soit inégale, on peut rationaliser le fait que le processus de purification enzymatique pourrait entraîner des coûts plus élevés et des pertes globales relativement élevées d'activité enzymatique pour aboutir à la quantité équivalente d'enzyme. Ainsi, l'intention de l'étude est d'évaluer les catalyseurs d'une production plus élevée de CAP sans encourir de coûts supplémentaires. De plus, l'utilisation de cellules entières présente un avantage par rapport au PDC partiellement purifié, car le premier pourrait offrir une stabilité de catalyseur plus élevée que l'homologue enzymatique, car le PDC partiellement purifié est plus sujet à l'effet de désactivation par le benzaldéhyde44. Dans le cas de la biomasse de cellules entières et du système de biocatalyseur enzymatique partiellement purifié, il n'y a pas eu de formation d'acétoïne et d'alcool benzylique comme sous-produits lorsque l'huile végétale a été utilisée comme système de phase organique. Ceci fait suite à Satianegara et al.88 qui ont évalué la biomasse de cellules entières pré-congelées et l'enzyme partiellement purifiée de C. utilis et n'ont signalé aucune formation d'alcool benzylique. Cependant, dans d'autres études utilisant des cellules entières immobilisées89, la production d'alcool benzylique a été observée. Cela peut être dû au fait que le PAC formé au cours de la première heure a inhibé la formation d'alcool benzylique car il peut inhiber l'activité de l'alcool déshydrogénase90 ou il peut y avoir une diminution de l'activité de l'alcool déshydrogénase en raison du processus de pré-congélation88. D'après la comparaison des cellules entières et du PDC partiellement purifié dans la biotransformation des PAC, il est évident que l'utilisation de cellules entières comme biocatalyseurs a un potentiel considérable de réduction des coûts en termes de concentrations de PAC sensiblement plus élevées.

La recherche a exploré l'utilisation de matières premières agro-sourcées, SCB, SSB, CC et RS, pour la production d'éthanol et la biotransformation des CAP. Pour cela, différentes levures productrices d'éthanol, C. tropicalis, C. shehatae, S. cerevisiae et K. marxianus, ont été évaluées pour leur potentiel. L'étude a également comparé le processus de biotransformation impliquant la biomasse de cellules entières avec le processus impliquant son enzyme partiellement purifiée pour la production de PAC. En un mot, le substrat RS fermenté avec C. tropicalis a produit un éthanol plus élevé (12,7 ± 0,23 g L-1) et une activité PDC spécifique (0,351 ± 0,076 U mg-1 de protéine). En outre, une formation de PAC plus élevée (62,3 ± 4,4 mM) pourrait être possible lorsque le processus de biotransformation était effectué dans un système à deux couches avec la biomasse de cellules entières de C. tropicalis comme biocatalyseur. Par conséquent, cette étude a révélé que la bioconversion des produits agro-industriels s'avérerait efficace en termes d'atténuation des problèmes d'élimination des déchets avec la production concomitante d'éthanol et de phénylacétylcarbinol. Le résidu usé des agro-matériaux après le traitement enzymatique reste à évaluer pour son analyse de composition et pourrait être utilisé comme complément alimentaire pour animaux pour générer zéro déchet du procédé.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Affaire particulière

Phénylacétylcarbinol

Pyruvate décarboxylase

Extrait de levure-Peptone-Dextrose

Rendement de l'éthanol produit sur le total des sucres consommés

Rendement de l'acide acétique produit sur le total des sucres consommés

Rendement de la biomasse séchée produite sur le total des sucres consommés

Productivité volumétrique d'éthanol par litre par heure ; µ, vitesse de croissance spécifique (h−1)

Taux de consommation spécifique de sucres totaux (g sucres totaux consommés g−1 biomasse h−1)

Chromatographie en phase liquide à haute performance

Acide 3-(N-morpholino)propanesulfonique

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Les auteurs tiennent à remercier les soutiens financiers de ce projet de recherche du Fonds fondamental 2022, Université de Chiang Mai (numéro de subvention : FRB650031/0162), chercheur principal TRF (numéro de subvention : RTA6280001), Université de Chiang Mai (CMU), Faculté des sciences (CoE65-P001)—CMU, Cluster of Agro Bio-Circular-Green Industry (Agro-BCG) (CoE65-P001), Office d'administration de la recherche (ORA), Faculté d'agro-industrie, Pôle de recherche sur les bioprocédés (BRC), CMU et Sino-Thai-NRCT (NRCT(O)(KKT)-19/2561). N. Leksawasdi tient à exprimer sa sincère gratitude à la Faculté d'agro-industrie, CMU pour le financement / soutien en nature. K. Anbarasu est reconnaissant pour le soutien de la bourse postdoctorale (Université réinventée), Université de Chiang Mai. TISTR est également remercié pour son soutien aux souches microbiennes.

(1) Fundamental Fund (Grant Number: FRB650031/0162), (2) TRF Senior Research Scholar (Grant Number: RTA6280001), (3) Chiang Mai University, Faculty of Science (CoE65-P001)—CMU, (4) Cluster of Agro Bio-Circular-Green Industry (Agro-BCG) (CoE65-P001), (5) Sino-Thai-NRCT (NRCT (O)(KKT)-19/2561) et (6) Université de Chiang Mai - Bourse postdoctorale (Université réinventée).

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Alissara Reungsang

Département de biotechnologie, Faculté de technologie, Université de Khon Kaen, Khon Kaen, 40002, Thaïlande

Alissara Reungsang

Académie des sciences, Société royale de Thaïlande, Bangkok, 10300, Thaïlande

Alissara Reungsang

Département de biotechnologie, Periyar Maniammai Institute of Science & Technology, Thanjavur, 613403, Inde

Anbarasu Kumar

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Conceptualisation, RN et NL ; méthodologie, RN ; validation, NL et CT ; conservation des données, RN, SS., CM, KP et AK ; rédaction—préparation du brouillon original, RN ; rédaction—révision et révision, RN, AK, NL, CT, SS, CM, KP, YP, PR, KJ, WP, WW, XZ, WQ et AR ; administration de projet, T.-N.-L. ; financement acquisition, NL Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Anbarasu Kumar ou Noppol Lexawasdi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Nunta, R., Techapun, C., Sommanee, S. et al. Valorisation de la paille de riz, de la bagasse de canne à sucre et de la bagasse de sorgho doux pour la production de bioéthanol et de phénylacétylcarbinol. Sci Rep 13, 727 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27451-4

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Reçu : 12 octobre 2022

Accepté : 02 janvier 2023

Publié: 13 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27451-4

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