Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12771
Title: Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός υφής βακτηριακής κυτταρίνης που παράγεται σε εκχυλίσματα υποπροϊόντος τυποποίησης Κορινθιακής σταφίδας
Other Titles: Physicochemical characterization of bacterial cellulose produced in Corinthian currant finishing side-stream extracts
Authors: Σπάρου, Κωνσταντίνα
Keywords: Βακτηριακή κυτταρίνη
Υποπροϊόν τυποποίησης Κορινθιακής σταφίδας
RSM/CCD
Keywords (translated): Bacterial cellulose
Corinthian currant finishing side-streams
RSM/CCD
Abstract: Η βακτηριακή κυτταρίνη (ΒΚ) είναι πολυσακχαρίτης που μπορεί να παραχθεί από πολλούς μικροοργανισμούς, με το βακτήριο Κοmagataeibacter sucrofermentans να έχει καθιερωθεί ως ο μικροοργανισμός-πρότυπο για την παραγωγή της. Οι μοναδικές ιδιότητές της την καθιστούν μία πολλά υποσχόμενη πρώτη ύλη, καθώς βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς τομείς. Πέρα των παραπάνω εξαιρετικών ιδιοτήτων της, το υψηλό κόστος παραγωγής (ακριβό υπόστρωμα) εμποδίζει την βιομηχανική εφαρμογή της. Για το λόγο αυτό, η έρευνα έχει στραφεί στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πρώτων υλών ως θρεπτικό υπόστρωμα χαμηλού ή και μηδενικού κόστους. Στη συγκεκριμένη μελέτη, εκχύλισματα υποπροϊόντος τυποποίησης Κορινθιακής σταφίδας (ΕΥΤ) χρησιμοποιήθηκαν ως θρεπτικό υπόστρωμα για την παραγωγή ΒΚ. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση για βελτιστοποίσηση παραγωγής ΒΚ σε ΕΥΤ και η μελέτη των επιφανειακών ιδιοτήτων της με SEM, XRD, ΒΕΤ, FTIR, TGA. Στη συνέχεια, έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης των συνθηκών παραγωγής της ΒΚ σε ΕΥΤ εμπλουτισμένα ή μη με πηγές αζώτου (πεπτόνη και yeast extract) και σε διαφορετικές τιμές pH και συγκέντρωσης σακχάρων ΕΥΤ. Για την βελτιστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης που επάγουν την παραγωγή ΒΚ υπό στατικές συνθήκες χρησιμοποιήθηκε η Μεθοδολογία της Επιφανειακής Απόκρισης (Response Surface Methodology, RSM) με βάση τον Σύνθετο Κεντρικό Σχεδιασμό (Central Composite Design, CCD). Στόχος της βελτιστοποίησης, είναι να συσχετιστεί η απόδοση της ΒΚ με τη θερμοκρασία, το pH και τη συγκέντρωση σακχάρων του ΕΥΤ. Επιπλέον, μελετήθηκε η ικανότητα συγκράτησης νερού της ΒΚ (WHC), η επανυδάτωσή της, και προσδιορίστηκε το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) των ΕΥΤ μετά την παραγωγή της. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η προσθήκη της πηγής αζώτου στο θρεπτικό υπόστρωμα βελτίωσε την απόδοση της ΒΚ. Η κανονική κατανομή των δεδομένων έδειξε ότι το μοντέλο θεωρείται αξιόπιστο για την πρόβλεψη της παραγωγής ΒΚ και από στατιστικής πλευράς, το μοντέλο κρίθηκε αρκετά σημαντικό. Μεταξύ των πιθανών συνδυασμών των τιμών των παραγόντων που μελετήθηκαν για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ΒΚ, επιλέχθηκαν οι συνθήκες: θερμοκρασία 28,07oC, pH 6,42 και συγκέντρωση σακχάρων ΕΥΤ 46,24 g/L. Η ΒΚ μπορεί να εμφανίσει διάφορες μορφές και υφές, ανάλογα με τον τρόπο που επεξεργάζεται και ξηραίνεται. Η κατεργασία κατά την οποία ήταν πιο εύκολο και άμεσο να μετατραπεί η ΒΚ σε σκόνη ήταν με την απλή ξήρανση. H ΒΚ αποτελείται από ένα δίκτυο ινών που με ξήρανση μέσω freeze-drying οι ίνες έχουν μεγαλύτερη διάμετρο συγκριτικά με τις ίνες ΒΚ μέσω απλής ξήρανσης, λόγω διόγκωσής τους κατά το freeze-drying. Η θερμοβαρυτική ανάλυση (TGA) έδειξε ότι όλα τα δείγματα εμφανίζουν παρόμοια συμπεριφορά και η ΒΚ είναι αρκετά σταθερή από θερμικής άποψης. Οι χαρακτηριστικές κορυφές στα φάσματα XRD αποδεικνύουν ότι το βακτήριο παρήγαγε και τους δύο τύπους Ια και Ιβ, και η ευρύτητα των χαρακτηριστικών κορυφών οφείλεται στη μερική κρυσταλλικότητα της BΚ που καλλιεργήθηκε υπό στατικές συνθήκες. Οι απορροφήσεις με χαρακτηριστικές κορυφές στα 3300, 2940 και 1390 cm-1, στα φάσματα FT-IR αποδίδονται στις δονήσεις δεσμών κυτταρίνης Ο-Η, C-Η και C-O-C , αντίστοιχα, που συνήθως λαμβάνονται από ΒΚ που παράγεται από το γένος του βακτήριου (Α. xylinus) που χρησιμοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία. H ΒΚ μπορεί να συγκρατήσει το 96% του βάρους της σε νερό λόγω του δικτύου των ινών και την υψηλή καθαρότητα που συμβάλουν στην αποτελεσματική σύνδεση με τα μόρια του νερού. Επιπλεόν, η ξηρή ΒΚ επανυδατώθηκε αρκετά μετά από τοποθέτησή της σε υδάτινο περιβάλλον που την καθιστά ικανή να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο σε κάποιο τρόφιμο υπό ξηρή μορφή. Η κρυσταλλική δομή και οι μετρήσεις της ειδικής επιφάνειας και των πόρων (όγκος και διάμετρος) των δειγμάτων της ΒΚ σε ΕΥΤ παρουσίασαν διαφορές μεταξύ τους, ενώ το δείγμα ΒΚ σε ΕΥΤ μετά από 7 ημέρες ζύμωσης είχε συγκρίσιμα αποτελέσματα με το δείγμα ΒΚ που παράχθηκε σε συνθετικό μέσο καλλιέργειας. Επομένως, ο χρόνος ζύμωσης επηρέασε τη δομή της ΒΚ, όπως επιβεβαιώθηκε και από τις φυσικοχημικές αναλύσεις. Εν κατακλείδι, είναι μια οικονομικά συμφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον βιοδιεργασία, καθώς ταυτόχρονα αξιοποιήθηκε το βιομηχανικό υποπροϊόν και δημιουργήθηκε ένα υψηλής αξίας μικροβιακό προϊόν.
Abstract (translated): Bacterial cellulose (BC) is a polysaccharide that can be produced by many microorganisms with the bacterium Kommagataebacter sucrofermentans being established as the model microorganism for its production. Its unique properties make it a promising raw material as it finds applications in different fields. Despite its favorable properties, the high cost of production (expensive substrate) prevents its industrial application. For this reason, research has focused on using of renewable raw materials as a low or zero cost nutrient substrate. In this study, Corinthian currant finishing side-streams (FSS) were used as a nutrient substrate for BC production. The aim of this study was to investigate the optimization of BC production in FSS and the study of its surface properties using SEM, XRD, ΒΕΤ, FTIR, TGA. Subsequently, an effort was made to optimize the production conditions of BC in FSS enriched or not with nitrogen sources (peptone and yeast extract) and different pH values and FSS sugar concentration. In order to optimize the fermentation conditions inducing BC production under static conditions, Methodology of Response Surface Methodology (RSM) based on the Central Composite Design (CCD. The purpose of optimization is to correlate the BC's performance with the temperature, pH and FSS sugar concentration. Furthermore, the water holding capacity of BC (WHC), its rehydration, and the chemically required oxygen (COD) of FSS after its production were determined. According to the experimental results, the addition of the nitrogen source to the nutrient substrate improved the BC yield. The normal distribution of data showed that the model is reliable for predicting BC production and from a statistical point of view, the model was considered quite important. Among the possible combinations of the values of the factors studied to maximize BC production, the following conditions were chosen: temperature 28.07°C, pH 6.42 and FSS sugars concentration 46.24 g /L. BC can display different forms and textures, depending on how it is processed and dried. The treatment in which it was easier and quicker to convert BC to powder was by oven-drying. BC consists of a fiber network in which by freeze-drying the fibers have a larger diameter than the BC fibers through oven-drying, due to swelling during freeze-drying. The thermogravimetric analysis (TGA) showed that all samples exhibited similar behavior and BC was thermally stable. The characteristic peaks in the XRD spectra demonstrate that the bacterium produced both typesof cellulos, Ia and Ib, and the width of the characteristic peaks was due to the partial crystallinity of BC cultured under static conditions. The characteristic peaks of absorbtion at 3300, 2940 and 1390 cm-1 in the FT-IR spectra are attributed to the cellular vibrations of C-H, C-H and C-O-C, respectively, usually obtained from BC produced by the genus of the bacterium (A. xylinus) used in this work. BC can retain 96% of its weight in water due to the fiber network and high purity that contributes to effective bonding with water molecules. In addition, dry BC has been rehydrated sufficiently after it has been placed in an aquatic environment which makes it capable of being used as a food additive in a dry form. The crystalline structure and the measurements of the specific surface and pores (volume and diameter) of the BC samples in FSS showed differences, whereas the BK sample in FSS after 7 days of fermentation showed similar results to the BK sample produced in synthetic culture medium. Therefore, fermentation time affected the structure of BK, as confirmed by physicochemical analyzes. In conclusion, it is an economically beneficial and environmentally friendly bio-process, as industrial waste was used and a high-value microbial product was created.
Appears in Collections:Τμήμα Χημείας (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Μaster-thesis-sparou-ΤΕΛΙΚΗ.pdfΜεταπτυχιακή εργασία2.4 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.