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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13965 (2022) Citare questo articolo

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La fermentazione dell'etanolo ad alta temperatura da parte del lievito termotollerante è considerata una tecnologia promettente per la produzione di etanolo, soprattutto nelle regioni tropicali e subtropicali. In questo studio, sono state effettuate le condizioni di ottimizzazione per la fermentazione con etanolo ad alta temperatura dell'idrolizzato di scarto di ananas (PWH) utilizzando un lievito termotollerante appena isolato, Saccharomyces cerevisiae HG1.1, e l'espressione dei geni durante la fermentazione con etanolo a 40 °C. Tre variabili indipendenti, tra cui la concentrazione cellulare, il pH e l’estratto di lievito, hanno influenzato positivamente la produzione di etanolo da PWH a 40 °C. I livelli ottimali di questi fattori significativi valutati utilizzando la metodologia della superficie di risposta (RSM) basata sul disegno composito centrale (CCD) erano una concentrazione cellulare di 8,0 × 107 cellule/mL, un pH di 5,5 e una concentrazione di estratto di lievito di 4,95 g/L , ottenendo una concentrazione massima di etanolo di 36,85 g/L e una produttività di 3,07 g/L. L'analisi dell'espressione genica durante la fermentazione dell'etanolo ad alta temperatura utilizzando RT-qPCR ha rivelato che l'acquisizione della capacità di termotolleranza e dell'efficienza della fermentazione dell'etanolo di S. cerevisiae HG1.1 sono associati a geni responsabili della crescita e dello stress da etanolo, stress ossidativo, stress da acido acetico, DNA riparazione, la via da piruvato ad acido tricarbossilico (TCA) e la via da piruvato ad etanolo.

La crescente domanda di energia incoraggia gli scienziati a trovare fonti energetiche alternative a basso costo, pulite, rinnovabili e sostenibili1,2,3. È stato riportato uno studio comparativo della letteratura su vari combustibili alternativi, come etanolo, oli vegetali, oli microbici, biomassa, glicerolo, biodiesel e idrogeno4,5. L'etanolo commerciale per i biocarburanti è prodotto da materie prime come canna da zucchero, mais e manioca. Queste materie prime, che costituiscono anche cibo per i bisogni umani e mangime per animali, hanno prezzi competitivi6. I rifiuti agricoli, in particolare i materiali lignocellulosici, sono stati considerati promettenti per la produzione di bioetanolo di seconda generazione. La buccia, il torsolo, il gambo e le foglie dell'ananas sono sottoprodotti della lavorazione dell'ananas (circa il 50% (p/p) del peso dell'ananas)7. Questi sottoprodotti sono altamente biodegradabili e ricchi di proteine ​​e carboidrati, che rappresentano materie prime abbondanti e promettenti per la produzione di etanolo8,9. Tailandia e Vietnam sono i principali paesi nella produzione di ananas, con una produzione di 2,21 e 0,59 milioni di tonnellate, che rappresentano rispettivamente l'8,91% e il 2,38% della produzione mondiale10.

In estate, la temperatura in Tailandia e Vietnam aumenta notevolmente, e aumenterà con il riscaldamento globale. Inoltre, la temperatura all'interno di un bioreattore può aumentare da 30 °C a circa 40 °C durante la fermentazione dell'etanolo11. Le alte temperature inibiscono la crescita cellulare e l'attività metabolica delle cellule di lievito, con conseguente riduzione della resa di etanolo e della produttività volumetrica di etanolo12,13. Pertanto, l’uso di microrganismi termotolleranti è un approccio promettente per risolvere il problema della produzione di etanolo ad alte temperature. Esistono numerosi vantaggi nell'utilizzo della fermentazione con etanolo ad alta temperatura, come la riduzione dei costi associati a un sistema di raffreddamento, rese più elevate ottenute nella saccarificazione e un rischio ridotto di contaminazione da batteri14,15. Anche se molti lieviti termotolleranti possono tollerare e fermentare ad alte temperature, diversi stress, ad esempio gli inibitori termici, etanolici, osmotici, ionici, lignocellulosici e le specie reattive dell'ossigeno (ROS), sono condizioni sfavorevoli per la crescita del lievito e l'attività fermentativa. La denaturazione del DNA, delle proteine, dei lipidi e delle strutture cellulari essenziali delle cellule di lievito in situazioni di stress è stata precedentemente segnalata16,17,18,19. Tuttavia, il meccanismo molecolare che conferisce l'acquisizione della termotolleranza durante la fermentazione dell'etanolo ad alta temperatura utilizzando PWH come materia prima non è stato ancora valutato.