Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials
Lignocellulosic biomass can be utilized as a low-cost, renewable, and sustainable feedstock for obtaining non-fossil energy sources with low CO2 emission. One of the most promising technologies for producing 2G biofuels is the saccharification of agricultural waste materials with the help of cellulo...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/26 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Microbiological Journal |
Репозитарії
Microbiological Journal| id |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-26 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Microbiological Journal |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
Talaromyces funiculosus Plackett-Burman design Box-Behnken design exoglucanase endoglucanase β-glucosidase xylanase Talaromyces funiculosus Плакетта-Бермана i Бокса-Бенкена плани екзоглюканаза ендоглюканаза β-глюкозидаза ксиланаза |
| spellingShingle |
Talaromyces funiculosus Plackett-Burman design Box-Behnken design exoglucanase endoglucanase β-glucosidase xylanase Talaromyces funiculosus Плакетта-Бермана i Бокса-Бенкена плани екзоглюканаза ендоглюканаза β-глюкозидаза ксиланаза Syrchin, S.O. Yurieva, O.M. Pavlychenko, A.K. Kurchenko, I.M. Сирчин, С.О. Юр’єва, О.М. Павличенко, А.К. Курченко, І.М. Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| topic_facet |
Talaromyces funiculosus Plackett-Burman design Box-Behnken design exoglucanase endoglucanase β-glucosidase xylanase Talaromyces funiculosus Плакетта-Бермана i Бокса-Бенкена плани екзоглюканаза ендоглюканаза β-глюкозидаза ксиланаза |
| format |
Article |
| author |
Syrchin, S.O. Yurieva, O.M. Pavlychenko, A.K. Kurchenko, I.M. Сирчин, С.О. Юр’єва, О.М. Павличенко, А.К. Курченко, І.М. |
| author_facet |
Syrchin, S.O. Yurieva, O.M. Pavlychenko, A.K. Kurchenko, I.M. Сирчин, С.О. Юр’єва, О.М. Павличенко, А.К. Курченко, І.М. |
| author_sort |
Syrchin, S.O. |
| title |
Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| title_short |
Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| title_full |
Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| title_fullStr |
Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| title_full_unstemmed |
Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials |
| title_sort |
statistics-based optimization of cellulase and xylanase production by the endophytic fungus talaromyces funiculosus using agricultural waste materials |
| title_alt |
Оптимізація продукції целюлаз та ксиланази ендофітним грибом Talaromyces funiculosus на основі статистичних проектів при культивуванні на середовищах з відходами сільськогосподарських рослин |
| description |
Lignocellulosic biomass can be utilized as a low-cost, renewable, and sustainable feedstock for obtaining non-fossil energy sources with low CO2 emission. One of the most promising technologies for producing 2G biofuels is the saccharification of agricultural waste materials with the help of cellulolytic enzymes, followed by yeast fermentation of sugars into cellulosic ethanol. Cellulases are multi-component enzymes involved in the degradation of cellulose, which can synergistically degrade cellulose and includes three major categories: endoglucanase (EC 3.2.1.4), exoglucanase or cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), and β-glucosidase (EC 3.2.1.21). The core enzyme used for the degradation of the xylan skeleton of hemicellulose is endo-β-1,4-xylanase (EC 3.2.1.8). The high cost of enzymes synthesized by fungi is a bottleneck for the production of cellulosic ethanol. Optimization of the nutrient medium composition is an important factor in increasing the production of enzymes and the efficiency of lignocellulosic biomass hydrolysis. The aim of the current study was to optimize the production of cellulolytic and xylanolytic enzymes through cultivation of filamentous fungus Talaromyces funiculosus on low-cost nutrient media with non-pretreated agricultural waste materials. Methods. Filamentous fungus Talaromyces funiculosus was grown on potato-dextrose agar for 10—14 days at 26±2 °С. To obtain the culture filtrate, the fungus was cultivated under submerged conditions in an Erlenmeyer flask for 4 days. The nutrient medium composition was varied according to the factor experiment design. A two-step optimization of the nutrient medium composition was used. A screening experiment with the Plackett-Burman fractional factorial design and response surface methodology with the Box-Behnken design were used to optimize cellulase production. The enzymatic activity was determined by measuring the reduced sugar production after the enzymes hydrolysis with specific substrates: exoglucanase with filter paper, endoglucanase with carboxymethylcellulose, and xylanase with beech wood xylan, using the colorimetric DNS method with glucose or xylose as a standard. The activity of β-glucosidase was determined by the hydrolysis reaction of p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside, which results in the formation of p-nitrophenol, quantified at 410 nm. Results. As a result of experiments with using agricultural waste, including wheat straw, corn stalk, and corn cob as carbon sources of the culture medium, it was shown that T. funiculosus is able to grow and produce cellulase and xylanase on all non-pretreated substrates studied. The two-step sequential optimization of the nutrient medium composition for T. funiculosus cultivation according to the Plackett-Berman and Box-Behnken designs made it possible to increase the activity of cellulolytic and xylanolytic enzymes by 2.4—2.6 times. The optimized cultivation medium does not contain such expensive components as Avicel, peptone, and yeast extract and has the following composition, g/L: corn stalks — 50.0; urea — 0.86; NaNO3 — 1.0; KH2PO4 — 6.0; KCl — 0.25; MgSO4 — 0.25; FeSO4 — 0.01. Conclusions. The studied strain of T. funiculosus produces a lignocellulosic enzyme complex with a high level of β-glucosidase activity when cultivated on an optimized nutrient medium with untreated agricultural waste and is promising for the conversion of lignocellulosic biomass into fermentable sugars. |
| publisher |
PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/26 |
| work_keys_str_mv |
AT syrchinso statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT yurievaom statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT pavlychenkoak statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT kurchenkoim statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT sirčinso statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT ûrêvaom statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT pavličenkoak statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT kurčenkoím statisticsbasedoptimizationofcellulaseandxylanaseproductionbytheendophyticfungustalaromycesfuniculosususingagriculturalwastematerials AT syrchinso optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT yurievaom optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT pavlychenkoak optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT kurchenkoim optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT sirčinso optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT ûrêvaom optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT pavličenkoak optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin AT kurčenkoím optimízacíâprodukcíícelûlaztaksilanaziendofítnimgribomtalaromycesfuniculosusnaosnovístatističnihproektívprikulʹtivuvannínaseredoviŝahzvídhodamisílʹsʹkogospodarsʹkihroslin |
| first_indexed |
2024-09-01T17:43:36Z |
| last_indexed |
2024-09-01T17:43:36Z |
| _version_ |
1809016545019428864 |
| spelling |
oai:ojs2.ojs.microbiolj.org.ua:article-262023-04-01T05:31:21Z Statistics-Based Optimization of Cellulase and Xylanase Production by the Endophytic Fungus Talaromyces Funiculosus using Agricultural Waste Materials Оптимізація продукції целюлаз та ксиланази ендофітним грибом Talaromyces funiculosus на основі статистичних проектів при культивуванні на середовищах з відходами сільськогосподарських рослин Syrchin, S.O. Yurieva, O.M. Pavlychenko, A.K. Kurchenko, I.M. Сирчин, С.О. Юр’єва, О.М. Павличенко, А.К. Курченко, І.М. Talaromyces funiculosus Plackett-Burman design Box-Behnken design exoglucanase endoglucanase β-glucosidase xylanase Talaromyces funiculosus Плакетта-Бермана i Бокса-Бенкена плани екзоглюканаза ендоглюканаза β-глюкозидаза ксиланаза Lignocellulosic biomass can be utilized as a low-cost, renewable, and sustainable feedstock for obtaining non-fossil energy sources with low CO2 emission. One of the most promising technologies for producing 2G biofuels is the saccharification of agricultural waste materials with the help of cellulolytic enzymes, followed by yeast fermentation of sugars into cellulosic ethanol. Cellulases are multi-component enzymes involved in the degradation of cellulose, which can synergistically degrade cellulose and includes three major categories: endoglucanase (EC 3.2.1.4), exoglucanase or cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), and β-glucosidase (EC 3.2.1.21). The core enzyme used for the degradation of the xylan skeleton of hemicellulose is endo-β-1,4-xylanase (EC 3.2.1.8). The high cost of enzymes synthesized by fungi is a bottleneck for the production of cellulosic ethanol. Optimization of the nutrient medium composition is an important factor in increasing the production of enzymes and the efficiency of lignocellulosic biomass hydrolysis. The aim of the current study was to optimize the production of cellulolytic and xylanolytic enzymes through cultivation of filamentous fungus Talaromyces funiculosus on low-cost nutrient media with non-pretreated agricultural waste materials. Methods. Filamentous fungus Talaromyces funiculosus was grown on potato-dextrose agar for 10—14 days at 26±2 °С. To obtain the culture filtrate, the fungus was cultivated under submerged conditions in an Erlenmeyer flask for 4 days. The nutrient medium composition was varied according to the factor experiment design. A two-step optimization of the nutrient medium composition was used. A screening experiment with the Plackett-Burman fractional factorial design and response surface methodology with the Box-Behnken design were used to optimize cellulase production. The enzymatic activity was determined by measuring the reduced sugar production after the enzymes hydrolysis with specific substrates: exoglucanase with filter paper, endoglucanase with carboxymethylcellulose, and xylanase with beech wood xylan, using the colorimetric DNS method with glucose or xylose as a standard. The activity of β-glucosidase was determined by the hydrolysis reaction of p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside, which results in the formation of p-nitrophenol, quantified at 410 nm. Results. As a result of experiments with using agricultural waste, including wheat straw, corn stalk, and corn cob as carbon sources of the culture medium, it was shown that T. funiculosus is able to grow and produce cellulase and xylanase on all non-pretreated substrates studied. The two-step sequential optimization of the nutrient medium composition for T. funiculosus cultivation according to the Plackett-Berman and Box-Behnken designs made it possible to increase the activity of cellulolytic and xylanolytic enzymes by 2.4—2.6 times. The optimized cultivation medium does not contain such expensive components as Avicel, peptone, and yeast extract and has the following composition, g/L: corn stalks — 50.0; urea — 0.86; NaNO3 — 1.0; KH2PO4 — 6.0; KCl — 0.25; MgSO4 — 0.25; FeSO4 — 0.01. Conclusions. The studied strain of T. funiculosus produces a lignocellulosic enzyme complex with a high level of β-glucosidase activity when cultivated on an optimized nutrient medium with untreated agricultural waste and is promising for the conversion of lignocellulosic biomass into fermentable sugars. Лігноцелюлозна біомаса може бути використана як дешева відновлювана сировина для отримання невикопних джерел енергії з низькими викидами CO2. Однією з найперспективніших технологій виробництва біопалива є оцукрювання сільськогосподарських відходів за допомогою целюлозолітичних ферментів з наступним дріжджовим зброджуванням цукрів у целюлозний етанол. Целюлази — це багатокомпонентні ферменти, залучені до розкладання целюлози, які діють синергетично та включають три основні категорії: ендоглюканази (EC 3.2.1.4), екзоглюканази або целлобіогідролази (EC 3.2.1.91) і β-глюкозидази (EC 3.2. 1.21). Основним ферментом, який гідролізує ксилан геміцелюлози, є переважно ендо-β-1,4-ксиланаза (EC 3.2.1.8). Висока вартість ферментів, синтезованих грибами, є головною проблемою виробництва целюлозного етанолу. Оптимізація складу середовища культивування з поживними залишками є важливим фактором підвищення ефективності гідролізу лігноцелюлозної біомаси. Мета цього дослідження полягала в підвищенні синтезу целюлолітичних та ксиланолітичних ферментів шляхом оптимізації середовища культивування гриба Talaromyces funiculosus з необробленими відходами сільськогосподарських рослин. Методи. Мікроскопічний гриб Talaromyces funiculosus вирощували на картопляно-декстрозному агарі протягом 10—14 діб при 26±2 °С. Для отримання культуральних фільтратів гриб культивували у зануреному стані в колбах Ерленмейера протягом 4 днів. Склад поживного середовища змінювався залежно від плану факторного досліду. Використовували двоетапну оптимізацію складу живильного середовища. Для оптимізації виробництва целюлази було використано скринінговий експеримент із факторним планом Плакетта-Бермана та методологію поверхні відгуку за планом Бокса-Бенкена. Ферментативну активність визначали за гідролізом специфічних субстратів: екзоглюканаза з фільтрувальним папером, ендоглюканаза з карбоксиметилцелюлозою, ксиланаза з ксиланом деревини бука. Кількість відновлювальних цукрів визначали методом з 3,5-динітросаліциловою кислотою (DNS) з використанням глюкози або ксилози як стандартів. Активність β-глюкозидази визначали в реакції гідролізу п-нітрофеніл-β-D-глюкопіранозиду за утвореним п-нітрофенолом. Результати. В результаті експериментів з використанням сільськогосподарських відходів, зокрема пшеничної соломи, кукурудзяних стебел та качанів в якості джерела вуглецю культурального середовища, було показано, що T. funiculosus здатний рости та продукувати целюлази та ксиланазу на всіх досліджених субстратах, що не зазнали попередньої обробки. Двоетапна послідовна оптимізація складу живильного середовища для культивування T. funiculosus за планами Плакетта-Бермана та Бокса-Бенкена дозволила підвищити активність целюлолітичних та ксиланолітичних ферментів у 2,4—2,6 рази. Оптимізоване середовище не містить таких дорогих компонентів, як Авіцел, пептон, дріжджовий екстракт, і має наступний такий склад у г/л: стебло кукурудзи — 50,0; сечовина — 0,86; NaNO3 — 1,0; KH2PO4 — 6,0; KCl — 0,25; MgSO4 — 0,25; FeSO4 — 0,01. Висновки. Досліджений штам T. funiculosus продукує лігноцелюлозолітичний ферментний комплекс із високим рівнем β-глюкозидазної активності за умови культивування на оптимізованому живильному середовищі з відходами сільського господарства, що не були попередньо оброблені, та є перспективним для біоконверсії лігноцелюлозної біомаси на зброджувані цукри. PH "Akademperiodyka" of the NAS of Ukraine 2023-02-23 Article Article application/pdf https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/26 10.15407/microbiolj85.01.012 Mikrobiolohichnyi Zhurnal; Vol. 85 No. 1 (2023): Mikrobiolohichnyi Zhurnal; 12-25 Мікробіологічний журнал; Том 85 № 1 (2023): Мікробіологічний журнал; 12-25 2616-9258 1028-0987 10.15407/microbiolj85.01 en https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/26/2 Copyright (c) 2023 Microbiological Journal https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |