Biorefinery and bioprocess development using sugar industry by-products for the extraction of pectin and the production of bacterial cellulose nanocomposites for food packaging applications

Abstract

This PhD thesis focuses on the fractionation of sugar beet pulp (SBP), the main by-product of the sugar industry, into value-added products. The production of bioplastics from renewable resources has attracted significant interest in recent years, driven by the need to reduce the environmental impact of fossil-based plastics. In this context, SBP presents a promising raw material for biopolymers production. Alternative SBP refining strategies were firstly evaluated to identify the most efficient process combining pectin extraction and biopolymers production. The chosen process involved the consecutive aqueous separation of free sugars and extraction of pectin before hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis of the remaining solids. The optimal refining strategy resulted in the highest yield of pectin (28% w/w) with 67% galacturonic acid (GalA) content. The optimal enzymatic hydrolysis of the remaining pectin-free solids (SBPR) led to 80.7% and 4.8% overall glucan and hemicellulose conversion yields, respectively. Bioreactor cultivation by Paraburkholderia sacchari with SBP derived sugars led to a poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) concentration of 62.2 g/L PHB with 53.1% (w/w) PHB content, 0.27 g/g yield and 1.7 g/(L·h) productivity, demonstrating a high efficiency in PHB production. In the integrated biorefinery scenario, 1 kg SBP could be converted into 252.9 g pectin-rich extract and 110.7 g PHB. The substitution of commercial enzymes with crude enzyme consortia via solid-state fermentation (SSF) was also a main objective of this PhD thesis. Onsite enzyme production by SSF with the fungal strain Aspergillus awamori cultivated on a mixture of SBPR and sunflower meal (SFM) was conducted. The overall hydrolysis yield of glucan and hemicellulose after hydrolysis optimisation via response surface methodology (pH 6.0, 55.0℃) were equal to 81.2% and 12.3%, respectively. The SBPR hydrolysate was employed in bacterial cellulose (BC) production leading to 4.6 g/L BC concentration with 0.33 g/g yield and 0.65 g/(L·d) productivity. Free sugars obtained from SBP were also evaluated for BC production (3.9 g/L) in shake flask fermentations. The produced BC was further modified into bacterial cellulose nanostructures (BNC) with a high crystallinity index (>92%), 0.45% sulfation and clean of bacterial residues. Structural modification of BC was also studied via enzymatic hydrolysis, using varying cellulase activities and initial substrate concentrations. The optimal hydrolysis conditions (50 U/g BC; 20 g/L BC) resulted in balanced and homogeneous material recovery. Enzymatic hydrolysis was further combined with non-thermal plasma treatment, either by substituting distilled water with plasma activated water (PAW) or by applying plasma pretreatment to BC prior to hydrolysis using a plasma bubble reactor. This approach leverages plasma-generated reactive species under mild aqueous conditions to potentially enhance enzymatic hydrolysis and promote more efficient cellulose modification. Enzymatic- and non-thermal plasma treatment led to BC defibrillation and lower crystallinity values (65-70%) than the initial BC. In addition to SBP pectin recovery, one of the main objectives of this PhD thesis was its utilisation as raw material for the formulation of food packaging. Pectin-based films were developed and reinforced with BNC processed via acid or enzymatic hydrolysis. The films reinforced with the acid-processed BNC exhibited the highest hydrophobicity (water contact angle=106.7°) and improved mechanical profile, with tensile strength, elongation at break, and Young's modulus values increased by 39.7%, 53.6%, and 54.0%, respectively. Further evaluation of pectin-based films as active packaging material was conducted via lignin incorporation into the pectin matrix in two forms - lignosulphonates (LS) and colloidal lignin particles (CLPs) – at concentrations of 5%, 10% and 20% (w/w). Both types of lignin influenced the films’ properties, with CLPs demonstrating superior UV barrier and antioxidant properties. The addition of 5% and 10% LS transforms the film's surface into hydrophobic (95-110°) and enhances the mechanical (~18% higher tensile strength) and water vapor permeability (~20% lower) properties. However, high lignin concentrations increase the film’s rigidity, likely due to lignin aggregation, which affects water affinity and mechanical properties. Pectin-based films were tested for sea bass fillets packaging and compared with commercial polyvinyl chloride (PVC) films. The shelf life at 5°C was extended from 5 days (PVC or pectin alone) to 7 days with 5% LS or CLPs incorporation. The PhD thesis also evaluated the formulation of pectin-based electrospun fibers for active packaging formulations. Various pectin: pullulan ratios (10:0, 9:1, 8:2 and 7:3) and different surfactant concentrations (1%, 2% and 5% w/w) were evaluated targeting the formulation of uniform pectin-based fibers. The optimal fibers were used as a matrix to encapsulate the antifungal agent natamycin. The highest encapsulation efficiency was 92.3%, following a declining trend as the natamycin concentration increased. The biopolymers interacted through hydrogen bonds, whereas natamycin was distributed across the entire width of the fibers. Natamycin incorporation at low concentrations enhanced the polymer network and hydrophobic interactions, leading to similar or increased hydrophobicity and mechanical properties. Finally, the fibers possessed antimicrobial activity against Aspergillus niger, which indicates their applicability as active coating on food packaging materials. This PhD thesis demonstrates a comprehensive valorisation strategy of SBP, integrating pectin recovery, biopolymer production and active food packaging development. Through optimized refining processes, high-value materials such as PHB, BNC, and functional films were efficiently produced. The results support the potential development of an integrated biorefinery based on SBP to expand the industrial applications of bio-based industries.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο βιοδιυλιστήριο και στις βιοδιεργασίες που απαιτούνται για τη μετατροπή της πούλπας ζαχαρότευτλου (SBP), του κύριου υποπροϊόντος της βιομηχανίας ζάχαρης, για παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά συσκευασίας. Η παραγωγή βιοπλαστικών από ανανεώσιμους πόρους έχει προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, λόγω της ανάγκης μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των πλαστικών από ορυκτά πόρους. Σε αυτό το πλαίσιο, το SBP αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοπολυμερών. Αρχικά, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αξιολογήθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές για την αξιοποίηση του SBP μέσω βιοδιυλιστηρίου με σκοπό να προσδιοριστεί η πιο αποτελεσματική διεργασία που συνδυάζει τον διαχωρισμό της πηκτίνης και την παραγωγή βιοπολυμερών. Η διαδικασία που επιλέχθηκε περιλαμβάνει τον διαχωρισμό των ελεύθερων σακχάρων, την εκχύλιση ενός κλάσματος πλούσιου σε πηκτίνη και την εφαρμογή υδροθερμικής επεξεργασίας με επακόλουθη ενζυμική υδρόλυση των υπολειπόμενων στερεών. Η βέλτιστη διεργασία διύλισης είχε ως αποτέλεσμα την υψηλότερη απόδοση ανάκτησης πηκτίνης (28% w/w) με περιεκτικότητα σε γαλακτουρονικό οξύ ίση με 67% (w/w). Η βέλτιστη ενζυμική υδρόλυση των υπολειπόμενων στερεών από τα οποία είχε διαχωριστεί η πηκτίνη (SBPR) οδήγησε σε συνολικές αποδόσεις μετατροπής γλυκάνης και ημικυτταρίνης ίσων με 80,7% και 4,8% αντίστοιχα. Η καλλιέργεια σε βιοαντιδραστήρα με χρήση του βακτηριακού στελέχους Paraburkholderia sacchari με χρήση σακχάρων που προέρχονται από το SBP οδήγησε σε 62,2 g/L PHB, με περιεκτικότητα σε PHB ίση με 53,1% (w/w), απόδοση 0,27 g/g και παραγωγικότητα 1,7 g/(L·h). Στο συγκεκριμένο βιοδιυλιστηρίου, 1 kg SBP θα μπορούσε να μετατραπεί σε 252,9 g πηκτίνη και 110,7 g PHB. Η υποκατάσταση εμπορικών ενζύμων με ακατέργαστα ένζυμα που παράγονται μέσω ζύμωσης στερεής κατάστασης (SSF) ήταν επίσης ένας από τους κύριους στόχους της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Πραγματοποιήθηκε παραγωγή ενζύμων μέσω SSF με το στέλεχος Aspergillus awamori που καλλιεργήθηκε σε μείγμα SBPR και ηλιάλευρου. Οι συνολικές αποδόσεις υδρόλυσης γλυκάνης και ημικυτταρίνης μετά τη βελτιστοποίηση μέσω μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης (pH 6,0, 55,0℃) ήταν ίσες με 81,2% και 12,3% αντίστοιχα. Το υδρόλυμα SBPR χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης (BC), οδηγώντας σε 4,6 g/L BC, με απόδοση 0,33 g/g και παραγωγικότητα 0,65 g/(L·d). Επιπλέον, τα ελεύθερα σάκχαρα που ελήφθησαν από το SBP αξιολογήθηκαν για την παραγωγή BC, επιτυγχάνοντας συγκέντρωση ίση με 3,9 g/L σε κωνικές φιάλες. Η παραγόμενη BC τροποποιήθηκε περαιτέρω σε νανοδομές βακτηριακής κυτταρίνης (BNC) με υψηλό δείκτη κρυσταλλικότητας (>92%), 0,45% ποσοστό θείωσης, με ταυτόχρονη απουσία βακτηριακών υπολειμμάτων. Η δομική τροποποίηση της BC μελετήθηκε επίσης μέσω ενζυμικής υδρόλυσης, χρησιμοποιώντας διαφορετικές ενζυμικές ενεργότητες κυτταρινάσης και αρχικές συγκεντρώσεις υποστρώματος. Η βέλτιστη συνθήκη υδρόλυσης (50 U/g BC; 20 g/L BC) επιλέχθηκε με βάση τη μείωση των απωλειών BC και της παραγωγής ομοιογενούς εναιωρήματος. Η ενζυμική υδρόλυση συνδυάστηκε περαιτέρω με μη θερμική επεξεργασία πλάσματος, είτε με αντικατάσταση του απεσταγμένου νερού με ενεργοποιημένο νερό (PAW) είτε με εφαρμογή προεπεξεργασίας στην BC πριν από την υδρόλυση χρησιμοποιώντας τον αντιδραστήρα φυσαλίδων πλάσματος. Αυτή η προσέγγιση αξιοποιεί τις δραστικές ρίζες που δημιουργούνται από το ψυχρό πλάσμα υπό ήπιες υδατικές συνθήκες για να ενισχύσει την ενζυμική υδρόλυση και να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική τροποποίηση της κυτταρίνης. Η ενζυμική διεργασία είτε μόνη της είτε σε συνδυασμό με τις διεργασίες μη θερμικού πλάσματος οδήγησαν σε αποδόμηση των ινιδίων και μείωση της κρυσταλλικότητας της BC σε σχέση με την αρχική BC. Εκτός από την ανάκτηση της πηκτίνης από το SBP, ένας από τους βασικούς στόχους αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν και η αξιοποίηση της ως πρώτη ύλη για τη σύνθεση συσκευασίας τροφίμων. Πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μεμβρανών πηκτίνης ενισχυμένες με τα παραγόμενες BNC είτε μέσω όξινης επεξεργασίας είτε μέσω ενζυμικής υδρόλυσης. Οι μεμβράνες ενισχυμένες με τη χημικά παραγόμενη BNC παρουσίασαν την υψηλότερη υδροφοβικότητα (γωνία επαφής με το νερό ίση με 106,7°) και βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, με την αντοχή σε εφελκυσμό, επιμήκυνση κατά τη θραύση και μέτρο ελαστικότητας να αυξάνονται κατά 39,7%, 53,6% και 54,0% αντίστοιχα. Περαιτέρω αξιολόγηση των μεμβρανών πηκτίνης ως ενεργό υλικό συσκευασίας πραγματοποιήθηκε μέσω ενσωμάτωσης λιγνίνης σε δύο μορφές - λιγνοσουλφονικά (LS) και κολλοειδή σωματίδια λιγνίνης (CLPs) - σε συγκεντρώσεις 5%, 10% και 20% (w/w). Και οι δύο τύποι λιγνίνης επηρέασαν τις ιδιότητες των μεμβρανών, με τα CLPs να προσδίδουν υψηλότερο φραγμό στην υπεριώδη ακτινοβολία και υψηλότερες αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Η προσθήκη 5% και 10% LS μετέτρεψε την επιφάνεια της μεμβράνης σε υδρόφοβη (95-110°) ενισχύοντας τις μηχανικές ιδιότητες (~18% υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό) με ταυτόχρονη μείωση της διαπερατότητας των υδρατμών (~20% χαμηλότερη). Ωστόσο, οι υψηλές συγκεντρώσεις λιγνίνης αυξάνουν την ακαμψία της μεμβράνης, πιθανώς λόγω της συσσωμάτωσης της, επηρεάζοντας τη συγγένεια με το νερό και τις μηχανικές ιδιότητες. Μεμβράνες πηκτίνης δοκιμάστηκαν για συσκευασία φιλέτων λαβρακιού και συγκρίθηκαν με εμπορικές μεμβράνες πολυβινυλοχλωριδίου (PVC). Η διάρκεια ζωής στους 5°C παρατάθηκε από 5 ημέρες (μόνο PVC ή πηκτίνη) σε 7 ημέρες με ενσωμάτωση 5% LS ή CLP.Η διατριβή αξιολόγησε επίσης τη σύνθεση ηλεκτροϊνισμένων ινών πηκτίνης, για την παραγωγή ενεργής συσκευασίας τροφίμων. Αξιολογήθηκαν διάφορες αναλογίες πηκτίνης:πουλλουλάνης (10:0, 9:1, 8:2 και 7:3) και διαφορετικές συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικών ουσιών (1%, 2% και 5% w/w) με στόχο τη σύνθεση ομοιόμορφων ινών πηκτίνης. Οι βέλτιστες ίνες χρησιμοποιήθηκαν ως μήτρα για την ενθυλάκωση του αντιμυκητιακού παράγοντα ναταμυκίνη. Η υψηλότερη απόδοση ενθυλάκωσης ήταν 92,3%, ακολουθώντας μια φθίνουσα τάση καθώς αυξανόταν η συγκέντρωση της ναταμυκίνης. Τα βιοπολυμερή αλληλεπιδρούσαν μέσω δεσμών υδρογόνου, ενώ η ναταμυκίνη κατανεμήθηκε σε όλο το πλάτος των ινών. Η ενσωμάτωση ναταμυκίνης στις ίνες σε χαμηλές συγκεντρώσεις ενίσχυσε το δίκτυο πολυμερών μέσω της σύνθεσης δεσμών υδρογόνου και των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, οδηγώντας σε παρόμοια ή αυξημένη υδροφοβικότητα όπως και μηχανικές ιδιότητες. Τέλος, οι ίνες παρουσίαζαν αντιμικροβιακή δράση έναντι του Aspergillus niger, γεγονός που υποδηλώνει τη δυνατότητα εφαρμογής τους ως ενεργή επικάλυψη σε υλικά συσκευασίας τροφίμων. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη διεργασία αξιοποίησης του SBP, ενσωματώνοντας την ανάκτηση πηκτίνης, την παραγωγή βιοπολυμερών και την ανάπτυξη ενεργών συσκευασιών τροφίμων. Μέσω βελτιστοποιημένων διεργασιών διύλισης και καινοτόμων τεχνολογιών, παράγονται αποτελεσματικά υλικά προστιθέμενης αξίας όπως PHB, BNC και βιογενείς μεμβράνες συσκευασίας τροφίμων. Αυτά τα ευρήματα υποστηρίζουν τη χρήση του SBP ως μία ανανεώσιμη πρώτη ύλη εντός ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου, συμβάλλοντας στις αρχές της κυκλικής βιοοικονομίας.