Optimization in the production and purification of fungal glucoamylase from the fungus Aspergillus oryzae 1808 for its potential application in the pretreatment of milled corn for conversion into bioethanol

Abstract

Resumo: Os biocombustíveis, como o bioetanol, destacam-se como alternativas sustentáveisaos combustíveis fósseis, por serem menos poluentes e derivados de fontes renováveis. Aprodução de bioetanol a partir de matérias primas amiláceas, como o milho, tem ganhadodestaque, especialmente por meio da hidrólise enzimática do amido presente nesses produtos.Nesse processo, enzimas como as alfa-amilases e glucoamilases desempenham um papelcrucial, catalisando a quebra do amido em moléculas menores, como a glicose, queposteriormente é fermentada para a produção de bioetanol. Além dessas, outras enzimas,como xilanases, celulases e lipases, também são amplamente utilizadas no tratamento debiomassa para a produção de biocombustíveis. As glucoamilases, em especial, são enzimasresponsáveis por catalisar a conversão de oligossacarídeos e dissacarídeos provenientes dahidrólise de compostos amiláceos anteriores em moléculas de glicose. O Brasil, um dosprincipais produtores de milho do mundo, desempenha um papel importante, gerando umagrande quantidade de produtos amiláceos que poderiam ser aproveitados. O principalobjetivo desta pesquisa foi a otimização da produção de glucoamilases fúngicas utilizando omilho moído como substrato, além de avaliar seu potencial hidrolítico para produzir glicose.Este trabalho foi dividido em duas partes; a primeira foi uma revisão bibliográfica focada nasdiferentes enzimas que são utilizadas para a produção de biocombustíveis e o efeito que ospré-tratamentos podem ter sobre a matéria orgânica produtora de biocombustíveis. A segundacontém ensaios experimentais buscando a otimização na produção e recuperação de umaglucoamilase proveniente do fungo Aspergillus oryzae LPB1808. Depois de analisar os dadosobtidos, foi possível produzir uma glucoamilase usando o fungo Aspergillus oryzaeLPB1808, em uma fermentação submersa (SmF), utilizando produtos agroindustriais (milhomoido), e foi possível identificar uma ß-glucoamilase com um peso molecular de 60-65 kDa.Após a concentração e pré-purificação por meio de micro e ultrafiltração, foi alcançada umaatividade final de 47,62 U/mL. Além disso, a enzima purificada conseguiu hidrolisar o milhomoído, produzindo 0,232 g de glicose por grama de milho moído, indicando que a enzimafúngica apresenta um rendimento de 43,44% em comparação com a versão comercial.

Abstract: Biofuels, such as bioethanol, are emerging as sustainable alternatives to fossil fuelsdue to their lower environmental impact and their derivation from renewable sources. Theproduction of bioethanol from starch-based raw materials, such as corn, has gainedconsiderable attention, particularly through the enzymatic hydrolysis of starch present inthese products. In this process, enzymes such as alpha-amylases and glucoamylases play acrucial role by catalyzing the breakdown of starch into smaller molecules, such as glucose,which is subsequently fermented for bioethanol production. In addition to these enzymes,others such as xylanases, cellulases, and lipases are also widely employed in biomasstreatment for biofuel production. Glucoamylases, in particular, are responsible for catalyzingthe conversion of oligosaccharides and disaccharides derived from the hydrolysis of starchbasedcompounds into glucose molecules. Brazil, one of the leading corn producers globally,plays an important role by generating a significant amount of starch-based products that couldbe utilized. The main objective of this research was to optimize the production of fungalglucoamylases using ground corn as a substrate, as well as to evaluate its hydrolytic potentialfor glucose production. This work was divided into two parts; the first was a literature reviewfocused on the various enzymes used for biofuel production and the effect that pretreatmentscan have on biomass, which is crucial for biofuel generation. The second part involvedexperimental assays aiming to optimize the production and recovery of a glucoamylasederived from the fungus Aspergillus oryzae LPB1808. After analyzing the obtained data, itwas possible to produce glucoamylase using Aspergillus oryzae LPB1808 in submergedfermentation (SmF), utilizing agro-industrial products (milled corn), and a ß-glucoamylasewith a molecular weight of 60-65 kDa was identified. After concentration and prepurificationvia micro and ultrafiltration, a final activity of 47.62 U/mL was achieved.Furthermore, the purified enzyme was able to hydrolyze the milled corn, producing 0.232 gof glucose per gram of milled corn, indicating that the fungal enzyme exhibits an efficiencyof 43.44% compared to the commercial version.