Κυκλική οικονομία: αξιοποίηση υποπροϊόντων των αγροτοβιομηχανικών διεργασιών με τη χρήση της τεχνικής "ζύμωση στερεάς κατάστασης"

Abstract

In recent decades, food and agriculture industries revealed a rapid development. During 2018 in the European Union, the annual amounts of fishing, forestry and agricultural wastes reached 21 million tons, by their disposal being a major environmental issue with significant impacts on both human and animal health. Due to this reason, the application of the circular economy has acquired interest, since latter exhibits the potential to transform these by-products in order to be reused. The annual residues which are derived from the agro-industrial sector, are estimated to reach 5 million tons of biomass, which can be classified as lignocellulosic, since they are mainly composed of polysaccharides such as cellulose, hemicellulose and lignin. Additionally, they are rich in nutrients, like minerals and proteins. Due to their nutritional composition, they can be characterized as raw materials that are easily assimilated by microorganisms, exhibiting the potential to upgrade them into high-added value products through solid fermentation process. The aim of the doctoral thesis concerns the utilization of agro-industrial residues/wastes originated from agro-industrial processes (e.g., olive mill wastes, winery wastes, brewery by-products and other crop remnants) through the application of solid fermentation targeting the development and production of novel proteinaceous feedstuffs with high nutritional value. The fungus Pleurotus ostreatus was employed for solid fermentation procedure in order to upgrade various by-products from agro-industrial processes. Furthermore, physicochemical analyzes were carried out for all the examined substrates in order to evaluate their applicability for adoption in pigs' nutrition. According to the obtained results of the present study, all the examined substrates revealed a significant increase concerning proteins and 1,3-1,6 β-glucans content, as well as their fiber profile was found to be modified. However, the substrate of Olive Mill Stone Waste-Lathyrus clymenum pericarp at a ratio of 80%-20% w/w, presented the best results with the protein content recording the highest percentage increment, the highest concentration of 1,3-1,6 β-glucans, as well as the most significant reduction in lignin presence, which is considered as a very important anti-nutritional factor. Therefore, according to previous results, the specific substrate was selected to carry out a feeding trial in piglets by replacing 5% w/w of maize, which is included in their conventional diet, with the mixture of Olive Mill Stone Waste-Lathyrus clymenum pericarp at a ratio of 80%-20% w/w. Latter replacement aims at the enhancement of their antioxidant defense with a parallel improvement of their welfare and productivity. The enriched feedstuff was administered to 200 piglets, which were divided into two groups (Control and Experimental). The aim was to evaluate the indicators that are related to their blood redox status. The obtained results showed that the pigs which were fed with the biofunctional feedstuff revealed a significant enhancement to their blood antioxidant mechanisms, compared to the control group, which is attested by the increased concentrations of total antioxidant capacity, catalase and glutathione. Additionally, the oxidative stress indicators that are caused by the detriment to proteins and lipids in the respective piglets, were found to be reduced, which was reflected in the evaluation of the respective markers of TBARS as well as the oxidation of protein carbonyls. Overall, this PhD thesis is the first which highlights the possible utilization of the produced mixture of Olive Mill Stone Waste-Lathyrus clymenum pericarp, at a ratio of 80%-20% w/w as an additive in pigs’ diet contributing thus, to the enhancement of their antioxidant mechanisms. Therefore, the enriched feedstuff consequences to the improvement of their welfare, their productivity, as well as to a better quality of the produced meat. Finally, the utilization of the aforementioned by-products contributes to their management and disposal issues, reducing the environmental footprint in terms of circular economy.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι βιομηχανίες τροφίμων και γεωργίας έχουν παρουσιάσει ραγδαία ανάπτυξη. Κατά τη διάρκεια του 2018 στην Ευρωπαϊκή Ένωση, η ετήσια ποσότητα υποπροϊόντων αλιείας, δασοκομίας και γεωργίας έφτασε τους 21 εκατομμύρια τόνους, με την απόρριψη τους να αποτελεί ένα μείζον περιβαλλοντικό ζήτημα με σημαντικές επιπτώσεις, τόσο στην υγεία των ανθρώπων όσο και των ζώων. Γι’ αυτό το λόγο, οι μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην εφαρμογή της κυκλικής οικονομίας, όπως η βιομετατροπή αυτών των υποπροϊόντων με σκοπό την επαναχρησιμοποίησή τους. Ετησίως, τα υπολείμματα που προέρχονται από τον αγροτοβιομηχανικό τομέα, εκτιμάται ότι φτάνουν τα πέντε εκατομμύρια τόνους βιομάζας τα οποία μπορούν να χαρακτηριστούν ως λιγνοκυτταρινούχα και αποτελούνται κυρίως από πολυσακχαρίτες όπως είναι η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και η λιγνίνη. Επιπλέον, είναι πλούσια σε θρεπτικά συστατικά, όπως μέταλλα και πρωτεΐνες. Λόγω της διατροφικής τους σύστασης, μπορούν να χαρακτηριστούν ως πρώτες ύλες εύκολα αφομοιώσιμες από μικροοργανισμούς, οι οποίοι τις αποικίζουν και τις αναβαθμίζουν σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας μέσω της Ζύμωσης Στερεάς Κατάστασης. Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η αξιοποίηση των αγροτοβιομηχανικών υπολειμμάτων/υποπροϊόντων που προέρχονται από αγροτοβιομηχανικές διεργασίες (π.χ. υποπροϊόντα ελαιοτριβείου, οινοποιίας, ζυθοποιίας και λοιπών καλλιεργειών) μέσω της εφαρμογής της Ζύμωσης Στερεάς Κατάστασης, στοχεύοντας στην ανάπτυξη και στην παραγωγή καινοτόμων ζωοτροφών υψηλής θρεπτικής αξίας. Ο μύκητας Pleurotus ostreatus χρησιμοποιήθηκε για την εφαρμογή της Ζύμωσης Στερεάς Κατάστασης ποικίλων υποπροϊόντων των αγροτοβιομηχανικών διεργασιών, ενώ σε κάθε υπόστρωμα που εξετάστηκε πραγματοποιήθηκαν φυσικοχημικές αναλύσεις ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα εφαρμογής εκάστου, στη διατροφή των χοίρων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης, σε όλα τα εξεταζόμενα υποστρώματα παρατηρήθηκε μια σημαντική αύξηση στη συγκέντρωση των πρωτεϊνών και των 1,3-1,6 β-γλυκανών, καθώς επίσης το προφίλ των ινωδών ουσιών τους μεταβλήθηκε. Ωστόσο, το υπόστρωμα Ελαιοπυρήνα-Περικαρπίου Φάβας σε αναλογία 80%-20% w/w, παρουσίασε τα καλύτερα αποτελέσματα με το περιεχόμενο των πρωτεϊνών να καταδεικνύει την μεγαλύτερη ποσοστιαία αύξηση, τη μεγαλύτερη συγκέντρωση των 1,3-1,6 β-γλυκανών, καθώς και τη μεγαλύτερη μείωση σε λιγνίνη, που αποτελεί έναν πολύ σημαντικό αντι-διατροφικό παράγοντα. Συνεπώς, σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα, το συγκεκριμένο υπόστρωμα επιλέχθηκε για την πραγματοποίηση ενός πειράματος εκτροφής σε χοίρους, με την αντικατάσταση 5%w/w αραβόσιτου που περιλαμβάνεται στο συμβατικό τους σιτηρέσιο με το μίγμα Ελαιοπυρήνα-Περικαρπίου Φάβας σε αναλογία 80%-20% w/w, στοχεύοντας έτσι στην ενίσχυση της αντιοξειδωτικής τους άμυνας καθώς και της ευζωίας και παραγωγικότητά τους. Η εμπλουτισμένη ζωοτροφή με το παραπάνω μίγμα Ελαιοπυρήνα-Περικαρπίου Φάβας σε αναλογία 80%-20% w/w, χορηγήθηκε σε 200 χοίρους οι οποίοι χωρίστηκαν σε δύο ομάδες (Μάρτυρας & Πειραματισμού). Στόχος ήταν η αξιολόγηση των δεικτών που σχετίζονται με το οξειδοαναγωγικό προφίλ του αίματος τους. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν μια σημαντική ενίσχυση στους αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς στο αίμα των χοιριδίων που χορηγήθηκε το βιολειτουργικό σιτηρέσιο, σε σχέση με την ομάδα του μάρτυρα το οποίο επιβεβαιώνεται απ’ τις αυξημένες συγκεντρώσεις της ολικής αντιοξειδωτικής ικανότητας, της καταλάσης και της γλουταθειόνης. Επίσης, στα αντίστοιχα χοιρίδια οι δείκτες του οξειδωτικού στρες που προκαλούνται εξαιτίας των βλαβών στις πρωτεΐνες και στα λιπίδια, ήταν μειωμένοι κάτι που αποτυπώθηκε και στην αξιολόγηση των αντίστοιχων δεικτών όπως είναι τα TBARS και η οξείδωση των πρωτεϊνικών καρβονυλίων. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η πρώτη η οποία αναδεικνύει τη δυνατότητα της χρήσης του υποστρώματος Ελαιοπυρήνα-Περικαρπίου Φάβας σε αναλογία 80-20 w/w, ως πρόσθετο στη ζωοτροφή των χοίρων, συμβάλλοντας έτσι στην ενίσχυση των αντιοξειδωτικών τους μηχανισμών. Κατά συνέπεια, η ενισχυμένη ζωοτροφή συμβάλει στη βελτίωση της ευζωίας τους, της παραγωγικότητάς τους καθώς και στην παραγωγή καλύτερης ποιότητας κρέατος. Επίσης η αξιοποίηση των προαναφερθέντων υποπροϊόντων συμβάλλει παράλληλα στη διαχείριση και στη διάθεσή τους, μειώνοντας έτσι το περιβαλλοντικό αποτύπωμα με όρους κυκλικής οικονομίας.