Enzymatic potential of filamentous fungi for pretreatment of spent coffee grounds for acidogenic fermentations

Abstract

With resource depletion and increasing waste production, lignocellulosic biomass has been studied as biorefinery substrates. Due to its characteristics, spent coffee grounds (SCG) can be applied in numerous bioprocesses, such as the production of short-chain organic acids (SCOA). SCOA are versatile and high valued metabolites that can be produced by Acidogenic Fermentation (AF) as an alternative to the petrochemical process. To enhance AF competitiveness is necessary to improve the hydrolysis rate which can be achieved by enzymatic or chemical hydrolysis. Enzymatic hydrolysis is considered a more sustainable alternative. However, enzymes are costly, and consequently, chemical hydrolysis is the preferred option. Since the used substrate represents a huge cost in enzyme production, new strategies are necessary. One possibility is the use of organic wastes. These cheap substrates can contribute to reducing production costs. In this work, the sole effect of SCG (0.4 and 1.0% w/v) and the combined effect of SCG and pineapple peel (PP) (0.4 + 0.2% w/v and 1.0 + 0.4% w/v) were studied as inducers for enzyme production by Trametes versicolor and Paecilomyces variotii. In the assay with 0.4% SCG, a laccase activity in T. versicolor of 350 U/L was recorded. Posteriorly, the enzymatic extracts obtained were used for SCG pretreatment. To select the best pretreatment for SCOA production, AF was performed with SCG submitted to different physicochemical and biological pretreatments. Generally, the main SCOA produced were acetic, and propionic acids. Acid hydrolysis led to the highest SCOA concentration (2.52 g COD/L) but submerged fermentation by T. versicolor led to a similar SCOA concentration (2.44 g COD/L) and higher acidification degree (48.0%). The obtained results showed the great potential of T. versicolor enzymes for SCG pretreatment. The experiments performed allowed us to conclude that SCG can be potentially used as a laccase inducer and as a substrate for SCOA production, however, these processes must be optimized to become more competitive.

Com a depleção de recursos e o aumento da produção de resíduos, vários materiais lenhocelulósicos, têm sido estudados como potencias substratos para biorrefinarias. Pelas suas características, as borras de café (SCG), podem ser aplicadas em vários processos tais como a produção de ácidos orgânicos de cadeia curta (SCOA). Os SCOA são metabolitos versáteis e de elevado valor, que podem ser produzidos por fermentação acidogénica (AF) em alternativa à produção petroquímica. Para aumentar a competitividade da AF é necessário melhorar a taxa de hidrólise do substrato, seja ela química ou enzimática. A hidrólise enzimática é a escolha mais sustentável, no entanto, as enzimas estão associadas a elevados custos e, consequentemente, a hidrólise química é a opção preferida. Dado que os custos de produção de enzimas estão maioritariamente associados à matéria prima utilizados, têm sido estudadas novas estratégias. Uma delas é a utilização de resíduos orgânicos como substratos baratos com o intuito de reduzir os custos de produção e otimizar os processos. Neste trabalho, estudou-se o efeito individual de SCG (0.4 e 1.0% w/v) e o efeito combinado de SCG e casca de ananás (PP) (0.4 + 0.2% w/v e 1.0 + 0.4% w/v) para a produção de enzimas por Trametes versicolor e Paecilomyces variotii, tendo sido obtida atividade máxima de lacase 350 U/L no ensaio de T. versicolor com 0.4% (w/v) SCG. Posteriormente, os extratos enzimáticos obtidos foram utilizados no pré-tratamento de SCG. Realizou-se AF com SCG submetidas a diferentes pré-tratamentos físico-químicos e biológicos de modo a selecionar o melhor pré-tratamento para a produção de SCOA. De uma forma geral, os SCOA maioritariamente produzidos foram os ácidos acético e propiónico. A maior concentração de SCOA (2.52 g COD/L) foi obtida com hidrólise ácida, mas a fermentação submersa de T. versicolor levou a uma concentração similar de SCOA (2.44 g COD/L) e maior grau de acidificação (48.0%). Os resultados obtidos permitiram concluir que as SCG têm potencial como indutores e substratos para a produção de lacase e de SCOA, no entanto estes processos deverão ser otimizados para que se tornem mais competitivos.