Optimization of β-Glucosidase, β-Xylosidase and Xylanase Production by Colletotrichum graminicola under Solid-State Fermentation and Application in Raw Sugarcane Trash Saccharification

Abstract

Efficient, low-cost enzymatic hydrolysis of lignocellulosic residues is essential for cost-effective production of bioethanol. The production of β-glucosidase, β-xylosidase and xylanase by Colletotrichum graminicola was optimized using Response Surface Methodology (RSM). Maximal production occurred in wheat bran. Sugarcane trash, peanut hulls and corncob enhanced β-glucosidase, β-xylosidase and xylanase production, respectively. Maximal levels after optimization reached 159.3 ± 12.7 U g−1, 128.1 ± 6.4 U g−1 and 378.1 ± 23.3 U g−1, respectively, but the enzymes were produced simultaneously at good levels under culture conditions optimized for each one of them. Optima of pH and temperature were 5.0 and 65 °C for the three enzymes, which maintained full activity for 72 h at 50 °C and for 120 min at 60 °C (β-glucosidase) or 65 °C (β-xylosidase and xylanase). Mixed with Trichoderma reesei cellulases, C. graminicola crude extract hydrolyzed raw sugarcane trash with glucose yield of 33.1% after 48 h, demonstrating good potential to compose efficient cocktails for lignocellulosic materials hydrolysis.

Produção e caracterização bioquímica de enzimas lignocelulolíticas fúngicas e sua aplicação na sacarificação de biomassa lignocelulósica

“…Por outro lado, a incubação direta de materiais lignocelulósicos em sua forma natural com culturas puras de microrganismos lignocelulolíticos ou preparações de enzimas livres de células resulta usualmente em baixo rendimento. Desta forma, há um interesse crescente no desenvolvimento de processos enzimáticos eficientes para a sacarificação de celulose, hemicelulose e lignina (Lynd et al, 2002;Kumar et al, 2008;Zimbardi et al, 2013;Bhalla et al, 2013;Singhvi et al, 2014;Meleiro et al, 2014).…”

“…Reforçando esta proposta, estudos recentes demonstraram claramente que coquetéis enzimáticos contendo celulases e hemicelulases são mais eficientes no processo de sacarificação da biomassa lignocelulósica, resultando em maiores rendimentos de açúcares fermentáveis com menor carga enzimática. (Hu et al, 2011;Qing et al, 2010;Gao et al, 2011;Zimbardi et al, 2013). Dessa forma, além das celulases, que tem sido o foco de inúmeros estudos nas últimas décadas, existe hoje um crescente interesse por enzimas de baixo custo e eficientes nos processos de degradação da hemicelulose e lignina.…”

“…Entre os microrganismos produtores de xilanases, os fungos filamentosos são especialmente interessantes devido à sua grande capacidade de secreção destas enzimas (Päes et al, 2012;Guimarães et al, 2013;Kar et al, 2013). Além disso, os níveis de produção de xilanases por diferentes fungos filamentosos são em geral muito maiores do que os descritos para outros microrganismos (Sunna & Antranikian, 1997;Polizeli et al, 2005;Sepahyet al, 2011;Masui et al,2012;Guimarães et al, 2013;Kar et al, 2013). Atualmente as xilanases têm sido o foco de inúmeras pesquisas devido ao seu potencial de aplicação biotecnológica em diversos setores industriais como: alimentício, papel e celulose, biocombustíveis, etc.…”

“…Atualmente as xilanases têm sido o foco de inúmeras pesquisas devido ao seu potencial de aplicação biotecnológica em diversos setores industriais como: alimentício, papel e celulose, biocombustíveis, etc. (Camassola & Dillon, 2010;Masui et al, 2012;Päes et al, 2012;Juturu & Wu 2012;Guimarães et al, 2013;Knob et al, 2013).…”

“…reesei e C. graminicola apresentou um rendimento máximo de 24,6% em açúcares redutores e 25,5% em glicose, após 24 horas (Zimbardi et al, 2013). Portanto, a suplementação desse coquetel com lacases levou a aumentos de 1,8 e 1,4 vezes nos rendimentos em açúcares redutores e glicose, respectivamente, mostrando claramente a sua importância no que diz respeito a aumentar a eficiência do processo de hidrólise da celulose presente em resíduos lignocelulósicos, em concordância com outros estudos.…”