Published December 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Enhanced xylitol production using non-detoxified xylose rich pre-hydrolysate from sugarcane bagasse by newly isolated Pichia fermentans

Creators

  • 1. Cranfield University
  • 2. Indian Institute of Petroleum
  • 3. Malaviya National Institute of Technology Jaipur
  • 4. Scotland's Rural College

Description

Abstract Background Integrated management of hemicellulosic fraction and its economical transformation to value-added products is the key driver towards sustainable lignocellulosic biorefineries. In this aspect, microbial cell factories are harnessed for the sustainable production of commercially viable biochemicals by valorising C5 and C6 sugars generated from agro-industrial waste. However, in the terrestrial ecosystem, microbial systems can efficiently consume glucose. On the contrary, pentose sugars are less preferred carbon source as most of the microbes lack metabolic pathway for their utilization. The effective utilization of both pentose and hexose sugars is key for economical biorefinery. Results Bioprospecting the food waste and selective enrichment on xylose-rich medium led to screening and isolation of yeast which was phylogenetically identified as Pichia fermentans . The newly isolated xylose assimilating yeast was explored for xylitol production. The wild type strain robustly grew on xylose and produced xylitol with > 40% conversion yield. Chemical mutagenesis of isolated yeast with ethyl methanesulphonate (EMS) yielded seven mutants. The mutant obtained after 15 min EMS exposure, exhibited best xylose bioconversion efficiency. This mutant under shake flask conditions produced maximum xylitol titer and yield of 34.0 g/L and 0.68 g/g, respectively. However, under the same conditions, the control wild type strain accumulated 27.0 g/L xylitol with a conversion yield of 0.45 g/g. Improved performance of the mutant was attributed to 34.6% activity enhancement in xylose reductase with simultaneous reduction of xylitol dehydrogenase activity by 22.9%. Later, the culture medium was optimized using statistical design and validated at shake flask and bioreactor level. Bioreactor studies affirmed the competence of the mutant for xylitol accumulation. The xylitol titer and yield obtained with pure xylose were 98.9 g/L and 0.67 g/g, respectively. In comparison, xylitol produced using non-detoxified xylose rich pre-hydrolysate from sugarcane bagasse was 79.0 g/L with an overall yield of 0.54 g/g. Conclusion This study demonstrates the potential of newly isolated P. fermentans in successfully valorising the hemicellulosic fraction for the sustainable xylitol production.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

خلفية مجردة الإدارة المتكاملة للجزء شبه الخلوي وتحولها الاقتصادي إلى منتجات ذات قيمة مضافة هي المحرك الرئيسي نحو مصافي حيوية مستدامة. في هذا الجانب، يتم تسخير مصانع الخلايا الميكروبية من أجل الإنتاج المستدام للمواد الكيميائية الحيوية القابلة للتطبيق تجاريًا من خلال تثمين السكريات C5 و C6 الناتجة عن النفايات الصناعية الزراعية. ومع ذلك، في النظام البيئي الأرضي، يمكن للأنظمة الميكروبية أن تستهلك الجلوكوز بكفاءة. على العكس من ذلك، فإن السكريات البنتوزية هي مصدر كربون أقل تفضيلاً لأن معظم الميكروبات تفتقر إلى المسار الأيضي لاستخدامها. يعد الاستخدام الفعال لكل من البنتوز والسكريات السداسية أمرًا أساسيًا للمصفاة الحيوية الاقتصادية. النتائج أدى التنقيب الحيوي عن نفايات الطعام والإثراء الانتقائي على الوسط الغني بالزيلوز إلى فحص وعزل الخميرة التي تم تحديدها من الناحية الوراثية على أنها خميرة بيتشيا . تم استكشاف خميرة استيعاب الزيلوز المعزولة حديثًا لإنتاج الزيليتول. نمت سلالة النوع البري بقوة على الزيلوز وأنتجت الزيليتول مع أكثر من 40 ٪ من عائد التحويل. أدت الطفرات الكيميائية للخميرة المعزولة مع ميثان سلفونات الإيثيل (EMS) إلى سبعة طفرات. أظهرت الطفرة التي تم الحصول عليها بعد 15 دقيقة من التعرض لنظام الإدارة البيئية، أفضل كفاءة لتحويل الزيلوز الحيوي. أنتجت هذه الطفرة في ظل ظروف دورق الهز أقصى عيار زيليتول وإنتاجية 34.0 جم/لتر و 0.68 جم/جم، على التوالي. ومع ذلك، في ظل نفس الظروف، تراكمت سلالة النوع البري الضابطة 27.0 جم/لتر زيليتول مع عائد تحويل قدره 0.45 جم/جم. ويعزى تحسن أداء الطفرة إلى تعزيز النشاط بنسبة 34.6 ٪ في اختزال الزيلوز مع انخفاض متزامن في نشاط نازعة هيدروجين الزيليتول بنسبة 22.9 ٪. في وقت لاحق، تم تحسين وسط الاستنبات باستخدام التصميم الإحصائي والتحقق من صحته على مستوى دورق الهز والمفاعل الحيوي. أكدت دراسات المفاعل الحيوي كفاءة الطافرة لتراكم الزيليتول. كان عيار الزيليتول والعائد الذي تم الحصول عليه باستخدام الزيلوز النقي 98.9 جم/لتر و 0.67 جم/جم، على التوالي. وبالمقارنة، كان الزيليتول المنتج باستخدام مادة ما قبل التحلل الغنية بالزيلوز غير منزوعة السموم من قصب قصب السكر 79.0 جم/لتر مع عائد إجمالي قدره 0.54 جم/جم. استنتاج توضح هذه الدراسة إمكانات المتصورة المخمرة المعزولة حديثًا في تثمين الجزء نصف الخلوي بنجاح لإنتاج الزيليتول المستدام.

Translated Description (French)

Résumé Contexte La gestion intégrée de la fraction hémicellulosique et sa transformation économique en produits à valeur ajoutée est le principal moteur des bioraffineries lignocellulosiques durables. Dans cet aspect, les usines de cellules microbiennes sont exploitées pour la production durable de produits biochimiques commercialement viables en valorisant les sucres C5 et C6 générés à partir des déchets agro-industriels. Cependant, dans l'écosystème terrestre, les systèmes microbiens peuvent consommer efficacement le glucose. Au contraire, les sucres pentoses sont une source de carbone moins préférée car la plupart des microbes n'ont pas de voie métabolique pour leur utilisation. L'utilisation efficace des sucres pentose et hexose est essentielle pour une bioraffinerie économique. Résultats La bioprospection des déchets alimentaires et l'enrichissement sélectif sur un milieu riche en xylose ont conduit au criblage et à l'isolement de levures identifiées phylogénétiquement comme Pichia fermentans . La levure assimilant le xylose nouvellement isolée a été explorée pour la production de xylitol. La souche de type sauvage s'est développée de manière robuste sur le xylose et a produit du xylitol avec un rendement de conversion > 40 %. La mutagenèse chimique de levure isolée avec du méthanesulfonate d'éthyle (EMS) a donné sept mutants. Le mutant obtenu après 15 min d'exposition à l'EMS a montré la meilleure efficacité de bioconversion du xylose. Ce mutant dans des conditions de flacon agité a produit un titre maximum de xylitol et un rendement de 34,0 g/L et 0,68 g/g, respectivement. Cependant, dans les mêmes conditions, la souche sauvage témoin a accumulé 27,0 g/L de xylitol avec un rendement de conversion de 0,45 g/g. L'amélioration des performances du mutant a été attribuée à une augmentation de 34,6 % de l'activité de la xylose réductase avec réduction simultanée de l'activité de la xylitol déshydrogénase de 22,9 %. Plus tard, le milieu de culture a été optimisé à l'aide d'une conception statistique et validé au niveau du ballon à secousses et du bioréacteur. Les études sur les bioréacteurs ont confirmé la compétence du mutant pour l'accumulation de xylitol. Le titre en xylitol et le rendement obtenus avec du xylose pur sont respectivement de 98,9 g/L et 0,67 g/g. En comparaison, le xylitol produit à l'aide d'un préhydrolysat riche en xylose non détoxifié à partir de bagasse de canne à sucre était de 79,0 g/L avec un rendement global de 0,54 g/g. Conclusion Cette étude démontre le potentiel de P. fermentans nouvellement isolé dans la valorisation réussie de la fraction hémicellulosique pour la production durable de xylitol.

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes La gestión integrada de la fracción hemicelulósica y su transformación económica en productos de valor añadido es el motor clave hacia las biorrefinerías lignocelulósicas sostenibles. En este aspecto, las fábricas de células microbianas se aprovechan para la producción sostenible de bioquímicos comercialmente viables mediante la valorización de azúcares C5 y C6 generados a partir de residuos agroindustriales. Sin embargo, en el ecosistema terrestre, los sistemas microbianos pueden consumir glucosa de manera eficiente. Por el contrario, los azúcares de pentosa son una fuente de carbono menos preferida, ya que la mayoría de los microbios carecen de una vía metabólica para su utilización. La utilización efectiva de azúcares pentosa y hexosa es clave para una biorrefinería económica. Resultados La bioprospección del desperdicio de alimentos y el enriquecimiento selectivo en medio rico en xilosa condujo al cribado y aislamiento de la levadura que se identificó filogenéticamente como Pichia fermentans . La levadura de asimilación de xilosa recién aislada se exploró para la producción de xilitol. La cepa de tipo salvaje creció fuertemente en xilosa y produjo xilitol con un rendimiento de conversión > 40%. La mutagénesis química de levadura aislada con metanosulfonato de etilo (EMS) produjo siete mutantes. El mutante obtenido después de 15 min de exposición a EMS, exhibió la mejor eficiencia de bioconversión de xilosa. Este mutante en condiciones de matraz de agitación produjo un título máximo de xilitol y un rendimiento de 34.0 g/L y 0.68 g/g, respectivamente. Sin embargo, en las mismas condiciones, la cepa de tipo salvaje de control acumuló 27.0 g/L de xilitol con un rendimiento de conversión de 0.45 g/g. El rendimiento mejorado del mutante se atribuyó a una mejora de la actividad del 34,6% en la xilosa reductasa con una reducción simultánea de la actividad de la xilitol deshidrogenasa en un 22,9%. Más tarde, el medio de cultivo se optimizó utilizando un diseño estadístico y se validó a nivel de matraz de agitación y biorreactor. Los estudios del biorreactor confirmaron la competencia del mutante para la acumulación de xilitol. El título de xilitol y el rendimiento obtenido con xilosa pura fueron 98.9 g/L y 0.67 g/g, respectivamente. En comparación, el xilitol producido usando prehidrolizado rico en xilosa no destoxificado de bagazo de caña de azúcar fue de 79.0 g/L con un rendimiento general de 0.54 g/g. Conclusión Este estudio demuestra el potencial de P. fermentans recién aislados para valorizar con éxito la fracción hemicelulósica para la producción sostenible de xilitol.

Files

s13068-020-01845-2.pdf

Files (1.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:50119f0940d7cdc60e5690f735f60613
1.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحسين إنتاج الزيليتول باستخدام مادة ما قبل التحلل الغنية بالزيلوز غير منزوعة السموم من قصب السكر من قصب السكر المعزول حديثًا Pichia fermentans
Translated title (French)
Production améliorée de xylitol à l'aide d'un préhydrolysat riche en xylose non détoxifié à partir de bagasse de canne à sucre par Pichia fermentans nouvellement isolé
Translated title (Spanish)
Producción mejorada de xilitol utilizando prehidrolizado rico en xilosa no destoxificado de bagazo de caña de azúcar por Pichia fermentans recién aislado

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3107781841
DOI
10.1186/s13068-020-01845-2

Is supplement to
https://openalex.org/W4252775675 (Other)
https://openalex.org/W4248589146 (Other)
https://openalex.org/W2505099411 (Other)
https://openalex.org/W2489371841 (Other)
https://openalex.org/W2357486896 (Other)
https://openalex.org/W2156381277 (Other)
https://openalex.org/W2134443615 (Other)
https://openalex.org/W2072815189 (Other)
https://openalex.org/W2040568912 (Other)
https://openalex.org/W2025607178 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1551231518
  • https://openalex.org/W1972112840
  • https://openalex.org/W1975808800
  • https://openalex.org/W1985652090
  • https://openalex.org/W1989388685
  • https://openalex.org/W2012810683
  • https://openalex.org/W2013545285
  • https://openalex.org/W2032855883
  • https://openalex.org/W2034164016
  • https://openalex.org/W2037245641
  • https://openalex.org/W2040172421
  • https://openalex.org/W2044747259
  • https://openalex.org/W2046437093
  • https://openalex.org/W2048898177
  • https://openalex.org/W2050312417
  • https://openalex.org/W2050481758
  • https://openalex.org/W2054909890
  • https://openalex.org/W2055336754
  • https://openalex.org/W2058189777
  • https://openalex.org/W2059667132
  • https://openalex.org/W2065160089
  • https://openalex.org/W2067599944
  • https://openalex.org/W2071987831
  • https://openalex.org/W2084269463
  • https://openalex.org/W2088216301
  • https://openalex.org/W2118567854
  • https://openalex.org/W2165424574
  • https://openalex.org/W2165982964
  • https://openalex.org/W2166862691
  • https://openalex.org/W2574553914
  • https://openalex.org/W2591503833
  • https://openalex.org/W2596050624
  • https://openalex.org/W2608683235
  • https://openalex.org/W2762004808
  • https://openalex.org/W2765909091
  • https://openalex.org/W2810350980
  • https://openalex.org/W2885706217
  • https://openalex.org/W2903465700
  • https://openalex.org/W2904011266
  • https://openalex.org/W2905366765
  • https://openalex.org/W2922250066
  • https://openalex.org/W2952470240
  • https://openalex.org/W2957917057
  • https://openalex.org/W2987183297
  • https://openalex.org/W3030404278
  • https://openalex.org/W3037432759
  • https://openalex.org/W4239361991
  • https://openalex.org/W609404739
  • https://openalex.org/W964516869