Production of high-value nutritional ingredients by submerged fermentation of Pleurotus ostreatus

Abstract

The predicted increase in population up to 9 billion by 2050, as well as the increase in the number of malnourished people, especially in developing countries, could increase the food demands and decrease the food quality for consumers. Moreover, the ongoing shrinking of agricultural land and decreasing global water resources could hinder both the cultivation of rich-in-nutrient crops and animal fish farming in the future, leading to a decrease in the main protein sources used in human nutrition. The need for the scientific community to find new nutrient sources is more crucial than ever before. Biotechnology especially microbial and industrial biotechnology could find the way, with the capability to establish methods of controlled cultivation of microorganisms which can be sources of biomass with high nutritional value. Except for already-known microorganisms used in human nutrition, new strains can be established and new ways to cultivate them could be introduced. This thesis is a proposal of a new way of exploiting an already known mushroom, Pleurotus ostreatus, producing high-value mycelial biomass in a faster and safer way and enhancing the production of biomolecules, such as proteins, lipids, polysaccharides, and enzymes with a perspective to be used as novel foods in the future. More specifically, an optimization of the fundamental cultivation conditions was accomplished to produce single-cell protein with a rich amino acid profile from Pleurotus ostreatus. In addition, the effect of the fundamental sugars of agro-industrial residues, glucose and xylose and mixtures of them was investigated to produce mycoprotein with high nutritional value. The different proteomic profiles and metabolic pathways that were upregulated in each condition were described through proteomic analysis. The production was achieved also on large-scale cultivations with the use of STR bioreactors and at low cost using agro-industrial residues from wood and paper industry side streams hydrolysates. Furthermore, wine lees were used as a substrate to induce the production of an important extracellular enzyme, laccase, but also to produce a high-value biomass. Except for the most known conditions that affect P. ostreatus submerged cultivation, an abiotic factor, light, that has not extensively been studied until now has been investigated at a biochemical and molecular level. The different biochemical compositions and proteomics profiles observed in each light wavelength were described. Throughout the thesis, P. ostreatus was used as a source of high-value biomass consisting of protein, lipids, polysaccharides, and extracellular enzymes valuable for the food industry. This Ph.D. thesis constitutes a proposal for the addition of mycelial biomass produced from submerged cultivation of mushrooms in food products as high nutrients. The molecular level analysis proposes how growth conditions can turn mushroom metabolism into specific bioactive compound production without the need for genetic engineering of the strain. Of course, safety and organoleptic tests conducted on biomass produced in pilot-scale bioreactors are crucial to producing valuable and safe food products.

Η προβλεπόμενη αύξηση του πληθυσμού στα 9 δισεκατομμύρια έως το 2050, καθώς και η αύξηση του αριθμού των υποσιτισμένων ανθρώπων, ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες, θα αυξήσουν τις απαιτήσεις σε τρόφιμα και θα μειώσουν την ποιότητα των τροφίμων. Επιπλέον, η συνεχής συρρίκνωση της γεωργικής γης και η μείωση των παγκόσμιων υδάτινων πόρων θα μπορούσαν να εμποδίσουν στο μέλλον τόσο την καλλιέργεια πλούσιων σε θρεπτικά συστατικά σιτηρών όσο και την ιχθυοκαλλιέργεια, οδηγώντας σε μείωση των κύριων πηγών πρωτεΐνης που χρησιμοποιούνται στην ανθρώπινη διατροφή. Η ανάγκη για εύρεση νέων πηγών θρεπτικών συστατικών φαντάζει πιο κρίσιμη από ποτέ. Η βιοτεχνολογία, ιδιαίτερα η μικροβιακή και η βιομηχανική βιοτεχνολογία, θα μπορούσαν να προτείνουν μεθόδους ελεγχόμενης καλλιέργειας μικροοργανισμών που μπορούν να αποτελέσουν πηγές βιομάζας με υψηλή θρεπτική αξία. Εκτός από τους ήδη γνωστούς μικροοργανισμούς που χρησιμοποιούνται στην ανθρώπινη διατροφή, μπορούν να απομονωθούν νέα στελέχη και να διερευνηθούν νέοι τρόποι καλλιέργειας τους, στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί έναυσμα για την καθιέρωση ενός νέου τρόπου εκμετάλλευσης ενός ήδη γνωστού μανιταριού, του Pleurotus ostreatus, για την παραγωγή μυκηλιακής βιομάζας υψηλής αξίας με ταχύτερο και ασφαλέστερο τρόπο και την ενίσχυση της παραγωγής βιομορίων, όπως πρωτεϊνών, λιπιδίων, πολυσακχαριτών και ενζύμων με την προοπτική να χρησιμοποιηθούν σε νέα τρόφιμα στο μέλλον. Πιο συγκεκριμένα, οι βασικές συνθήκες καλλιέργειας βελτιστοποιήθηκαν για την παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης με πλούσιο αμινοξικό προφίλ από το Pleurotus ostreatus. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση των κύριων σακχάρων των αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων, της γλυκόζης και της ξυλόζης και μειγμάτων αυτών για την παραγωγή μυκοπρωτεΐνης υψηλής θρεπτικής αξίας. Τα διαφορετικά πρωτεομικά προφίλ και οι μεταβολικές οδοί που υπερεκφράστηκαν σε κάθε κατάσταση περιγράφηκαν μέσω πρωτεομικής ανάλυσης. Η παραγωγή πραγματοποιήθηκε επίσης σε καλλιέργειες μεγάλης κλίμακας με τη χρήση βιοαντιδραστήρων αναδευόμενης δεξαμενής. Το συνολικό κόστος της διεργασίας μειώθηκε με χρήση υδρολυμάτων από αγροτοβιομηχανικά παραπροιόντα της βιομηχανίας ξύλου και χαρτιού. Επιπρόσθετα, η οινολάσπη χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα για την επαγωγή της παραγωγής ενός σημαντικού εξωκυτταρικού ενζύμου, της λακκάσης, αλλά και για την παραγωγή βιομάζας υψηλής αξίας. Τέλος, εκτός από τις πιο γνωστές συνθήκες που επηρεάζουν την βυθισμένη καλλιέργεια του P. ostreatus, ένας αβιοτικός παράγοντας, το φως, που δεν έχει μελετηθεί εκτενώς μέχρι τώρα, διερευνήθηκε σε βιοχημικό και μοριακό επίπεδο. Περιγράφηκαν οι διαφορετικές βιοχημικές συστάσεις της βιομάζας που παρήχθη σε πρωτεΐνες, λιπίδια και υδατάνθρακες καθώς και τα διαφορετικά πρωτεομικά προφίλ σε κάθε μήκος κύματος φωτός. Καθ' όλη τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής, ο P. ostreatus χρησιμοποιήθηκε ως πηγή βιομάζας υψηλής αξίας που αποτελείται από πρωτεΐνες, λιπίδια, πολυσακχαρίτες και εξωκυτταρικά ένζυμα πολύτιμα για τη βιομηχανία τροφίμων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί πρόταση για την προσθήκη μυκηλιακής βιομάζας από βυθισμένη καλλιέργεια ως πηγή θρεπτικών συστατικών υψηλής αξίας σε προϊόντα διατροφής. Η πρωτεομική ανάλυση πρότεινε πώς οι συνθήκες ανάπτυξης μπορούν να στρέψουν τον μεταβολισμό των μανιταριών σε παραγωγή συγκεκριμένων βιοδραστικών ενώσεων χωρίς την ανάγκη γενετικής τροποποίησης του στελέχους. Φυσικά, οι οργανοληπτικοί και ποιοτικοί έλεγχοι της βιομάζας που παράγεται σε βιοαντιδραστήρες πιλοτικής κλίμακας είναι ζωτικής σημασίας για την παραγωγή ασφαλών και υψηλής αξίας προϊόντων διατροφής.