Brewer’s spent yeast polysaccharides: feasibility of extracts for the development of biomaterials

Abstract

Brewer’s spent yeast is the second largest by-product of the brewing industry, being an abundant, recyclable and cheap material that is frequently discarded. This material is composed of several compounds of added value and with proven biological activity, namely its polysaccharides, with emphasis on glucans and mannoproteins. These polysaccharides can be solubilized from brewer’s spent yeast by mild or more drastic extraction methods, leading to the obtention of different extracts with distinct compositions. Several extracts were tested in the production of films, successfully: a hot water extract (57 % protein, 34 % total carbohydrates, 23 mol% glucose, 59 mol% mannose) and two alkaline extracts, one of 0.1M KOH (29 % protein, 26 % total carbohydrates, 46 mol% ribose, 19 mol% glucose, 37 mol% mannose) and other of 4M KOH (23 % protein, 74 % total carbohydrates, 22 mol% ribose, 30 mol% glucose, 48 mol% mannose). Production of films was performed using the solvent casting method with the use of glycerol as a plasticizer, genipin as a cross-linker and sepiolite as a filler. For each extract, different parameters were adjusted for the successful production of films: 20 mg/cm2, 25 % (w/w) glycerol, 0.05 % (w/v) genipin, 25 ºC, 24 hours (hot water extract); 20 mg/cm2, 50 % (w/w) glycerol, 25 ºC, 24 hours (0.1M KOH extract); 20 mg/cm2, 50 % (w/w) glycerol, 0.2 % (w/v) genipin, 3.5 % (w/v) sepiolite, 35 ºC, 16 hours (4M KOH extract). Characterization of films was done using mechanical, wettability, solubility and water vapour permeability tests. The films exhibited different mechanical characteristics (Young’s Modulus 53-337 MPa, tensile strength 1-8 MPa, elongation 3-24 %) but they were all of a hydrophilic nature (water contact angles 30-90 º), being soluble in water (solubility values of 51 to 93 %) and with low permeability to water vapour (water vapour permeability value of 2.83 × 10-16 g Pa-1 h-1 m-1). Films produced revealed that different brewer’s spent yeast extracts, can be used to produce different biomaterials, in the absence or presence of cross-linker agents or fillers, which may turn into food and biomedical applications.

A levedura excedentária cervejeira é o segundo maior subproduto da indústria cervejeira, sendo um material abundante, reciclável e barato que é frequentemente descartado. Este material é constituído por vários compostos de valor acrescentado e atividade biológica comprovada, nomeadamente os polissacarídeos, com destaque para as glucanas e manoproteínas. Estes polissacarídeos podem ser solubilizados da levedura excedentária cervejeira por métodos de extração suaves ou mais drásticos que levam à obtenção de diferentes extratos com composições distintas. Vários extratos foram testados na produção de filmes e com sucesso: um extrato de água quente (57 % proteína, 34 % carboidratos totais, 23 mol% glucose, 59 mol% manose) e dois extratos alcalinos, um de 0,1M KOH (29 % proteína, 26 % carboidratos totais, 46 mol% ribose, 19 mol% glucose, 37 mol% manose) e outro de 4M KOH (23 % proteína, 74 % carboidratos totais, 22 mol% ribose, 30 mol% glucose, 48 mol% manose). A produção de filmes foi efetuada através do método de evaporação de solvente com a utilização de glicerol como plasticizante, genipina como agente reticulante e sepiolite como filler. Para cada extrato, diferentes condições foram ajustadas para permitir a produção dos filmes: 20 mg/cm2, 25 % (m/m) glicerol, 0,05 % (m/v) genipina, 25 ºC, 24 horas (extrato de água quente); 20 mg/cm2, 50 % (m/m) glicerol, 25 ºC, 24 horas (extrato 0,1M KOH); 20 mg/cm2, 50 % (m/m) glicerol, 0,2 % (m/v) genipina, 3,5 % (m/v) de sepiolite, 35 ºC, 16 horas (extrato 4M KOH). A caracterização dos filmes produzidos foi realizada com recurso a testes mecânicos, molhabilidade, solubilidade e permeabilidade ao vapor de água. Os filmes apresentaram diferentes características mecânicas (Módulo de Young 53-337 MPa, resistência à tração 1-8 MPa, elongação 3-24 %) mas todos eles de natureza hidrofílica (ângulos de contacto da água 30-90 º), solúveis em água (valores de solubilidade de 51 a 93 %) e pouco permeáveis ao vapor de água (valor de permeação ao vapor de água de 2,83 × 10-16 g Pa-1 h-1 m-1). Os filmes produzidos revelaram que diferentes extratos de levedura excendentária cervejeira podem ser usados na produção de diferentes biomateriais, na ausência ou presença de agentes reticulantes e de fillers, com vista a diferentes aplicações como biomateriais na área alimentar e biomédica.