Groupe hétérogène
2.2 Pectinases
Les pectinases constituent un groupe hétérogène d’enzymes qui décomposent les polysaccharides complexes des tissus végétaux en molécules plus simples comme les acides galacturoniques. Leur application commerciale a été observée pour la première fois en 1930 pour la préparation de vins et de jus de fruits . Elles représentent 25 % des ventes mondiales d’enzymes alimentaires et sont utilisées industriellement pour l’extraction, la clarification et la concentration des jus de fruits, la clarification des vins et l’extraction des huiles, des arômes et des pigments des plantes. Ces enzymes comprennent les protopectinases, les polygalacturonases, les lyases et les pectinestérases en fonction de leur mode d’action. Les protopectinases catalysent la solubilisation de la protopectine. Les polygalacturonases hydrolysent la chaîne d’acide polygalacturonique par addition d’eau et sont les plus abondantes parmi toutes les enzymes pectinolytiques. Les lyases catalysent le clivage trans-éliminatif du polymère d’acide galacturonique. Les pectinestérases libèrent les pectines et le méthanol en désestérifiant les liaisons ester méthylique du squelette de la pectine .
Comme le montre le tableau 15.1, l’utilisation de SSF pour la production de pectinase a été proposée en utilisant différents résidus agricoles et agro-industriels solides comme substrats . Les champignons du genre Aspergillus sont l’une des sources les plus importantes de ces enzymes. Taşkin et al. ont criblé plusieurs souches d’Aspergillus isolées de vignobles pour la production de pectinase (polygalacturonase et polyméthylgalacturonase) et ils ont déterminé que la SSF était meilleure que la SmF pour la production de pectinase. De même, Solis-Pereira et al. ont déterminé que les phénomènes de régulation, tels que l’induction-répression ou l’activation-inhibition liés à la synthèse de pectinase par A. niger CH4 sont différents dans les deux types de fermentation, atteignant des productivités globales de SSF qui étaient 18,8 et 4,9 fois plus élevées pour l’endo- et l’exopectinase, respectivement, que celles de SmF. De plus, Acuña-Arguelles et al. ont comparé les propriétés de l’endo- et de l’exopectinase et de la pectine lyase produites par les techniques SSF et SmF à partir de A. niger CH4. Ils ont observé que les propriétés cinétiques et physico-chimiques de ces enzymes étaient différentes selon le type de fermentation. Ainsi, dans la SSF, toutes les activités pectinases étaient plus stables à des valeurs extrêmes de pH et de température. De plus, l’étude par électrophorèse des différents extraits enzymatiques obtenus pour les deux méthodes de culture a montré le même nombre sur les bandes protéiques, mais avec quelques différences dans leur position électrophorétique qui suggère que la méthode de culture peut être responsable de l’induction de changements dans certaines des enzymes pectinolytiques produites par A. niger.
La sélection d’un support adéquat pour réaliser la SSF est essentielle, car le succès du processus en dépend. Les substrats de la FFS nécessitent des caractéristiques en relation avec la composition chimique des déchets (glucides, source d’azote, sels minéraux, etc.) et ses propriétés physiques pour une bonne croissance du champignon filamenteux sur les déchets. La Fig. 15.3 montre comment le champignon Trichoderma longibrachiatum se développe sur un substrat solide. Il est évident que la taille des particules et la porosité du substrat peuvent affecter le schéma d’écoulement et la distribution des nutriments. Les petites particules, ou les particules ayant de grandes surfaces planes, ont tendance à s’entasser étroitement, ce qui rend difficile l’aération de la masse du substrat. Si le micro-organisme peut pénétrer dans la particule, cela augmente le substrat directement accessible et diminue la distance sur laquelle la diffusion doit se produire. Par conséquent, la taille optimale des particules représente souvent un compromis entre l’accessibilité des nutriments et la disponibilité de l’oxygène .
Figure 15.3. Image de microscopie à balayage électronique de Trichoderma longibrachiatum cultivé sur une fibre de polyamide utilisée comme support dans la fermentation à l’état solide.
Pour la SSF, plusieurs résidus d’agro-industries tels que la peau d’orange et la peau de citron contiennent une quantité précieuse de pectine, qui agit comme support et inducteur. Les écorces d’agrumes, principal sous-produit solide des industries de transformation des fruits, représentent environ 50 % du poids des fruits frais. Ainsi, l’écorce de citron est le principal sous-produit solide résultant de l’industrie de transformation du citron et constitue environ 19,8 % de la masse sèche du citron. Pour cette raison, l’élimination et la gestion de ces résidus deviennent un sérieux problème pour les industries. Comme alternative à l’élimination des pelures, elles peuvent être utilisées comme substrat pour la production de niveaux élevés d’enzymes pectinolytiques .
Ruiz et al. ont étudié la production de pectinase par huit souches fongiques différentes des genres Aspergillus et Penicillium sous SSF en utilisant comme substrat le marc de pelure de citron, A. niger Aa-20 étant la meilleure souche. Ils ont déterminé l’importance de la sélection de la taille des particules et ont réalisé la FSS dans un bioréacteur à plateau en colonne à 30°C, 70 % d’humidité, 194 ml/min de débit d’air et une taille de particules de substrat (2-0,7 mm) de marc d’écorce de citron pendant 96 heures. Dans ces conditions, ils ont atteint une activité pectinase maximale autour de 2181 U/L, ce qui suggère ce procédé comme une alternative très prometteuse pour la production de pectinase.
Dans plusieurs études, l’augmentation du niveau dans la production de pectinases lorsque les résidus agro-industriels ont été complétés par des sources de carbone et d’azote supplémentaires a été remarquée. Par exemple, Patil et Dayanand ont rapporté que la supplémentation en saccharose dans le zeste de citron, la tige de sorgho et la tête de tournesol pour la production de pectinase par A. niger DMF 27 et A. niger DMF 45 dans la SSF était plus efficace que le glucose. En outre, ils ont également remarqué que parmi les sources d’azote, le sulfate d’ammonium a augmenté le niveau de production des pectinases de tous les substrats .
D’autre part, la SSF a également été réalisée en utilisant un substrat conventionnel tel que le son de blé et complété par de la peau d’orange comme inducteur. Liu et al. ont amélioré la production de pectinase extracellulaire par une souche A. niger JL-15 nouvellement isolée en optimisant les conditions de la SSF par une méthodologie de surface de réponse. L’activité pectinase maximale était quatre fois plus élevée que celle du milieu de base, les paramètres optimaux étant les suivants : 12,10 % de poudre d’écorce d’orange, 3,20 % de sulfate d’ammonium employant du son de blé comme substrat solide, 51,10 % d’humidité et 75 heures de fermentation. De même, Li et al. ont déterminé que la peau d’orange et le son de blé étaient les meilleurs substrats pour la production de pectinase et Diaz et al. ont démontré l’effet positif d’utiliser un mélange de marc de raisin et de peau d’orange.
Il existe peu de conceptions disponibles pour les bioréacteurs fonctionnant en SSF sur une production à grande échelle de pectinase. Initialement, Huerta et al. ont réalisé la SSF avec A. niger dans un bioréacteur à lit tassé d’une capacité de 10 à 25 kg de matière sèche en utilisant comme sources de carbone de la bagasse de canne à sucre imprégnée d’une solution nutritive contenant du saccharose et de la pectine d’agrumes. He et Chen ont rapporté que la SSF à double dynamique gazeuse offrait de plus grands avantages que la SSF statique dans la préparation d’enzymes industrielles telles que la pectinase, la glucoamylase, la protéase et la cellulose, en raison de l’amélioration des activités enzymatiques et de la réduction du temps de fermentation. Dans ce bioréacteur de 800 L, le milieu à l’état solide contenait 90 % de son de blé, 5 % de son de riz, 2 % de poudre d’écorce d’agrumes et 3 % de farine de maïs. Différents rapports liquide-solide du milieu (0,7, 1,0 et 1,3 (p/p)) ont été utilisés. Pitol et al. ont mis à l’échelle la production de pectinase par A. niger au cours de la SSF dans des bioréacteurs à lit plein, de 12 g de matière sèche à l’échelle du laboratoire à 20-30 kg de matière sèche à l’échelle pilote. À partir des informations obtenues, telles que le taux de consommation d’O2 et la distribution de la température et de l’activité de la pectinase, les auteurs ont proposé une stratégie viable pour la mise à l’échelle du processus jusqu’au niveau industriel .
L’utilisation de pectinases enzymatiques extrêmophiles (alcalophiles, thermostables, etc.) a attiré une attention considérable en raison du potentiel d’applications industrielles. Ainsi, une stabilité et une activité élevées à haute température et en milieu alcalin sont devenues des propriétés enzymatiques souhaitables pour le traitement industriel. Un niveau élevé de pectinase alcalophile a été produit à partir d’une souche isolée de B. subtilis sous SSF en utilisant des combinaisons de résidus agricoles bon marché (son de blé et tourteau de coton, son de blé et déchets d’agrumes, son de blé et feuilles alpha-alpha, tourteau de coton et déchets d’agrumes, tourteau de coton et feuilles alpha-alpha, déchets d’agrumes et feuilles alpha-alpha, un mélange des quatre substrats). Cependant, les meilleurs niveaux ont été obtenus lorsqu’un mélange de son de blé et de déchets d’agrumes avec un supplément d’extrait de levure a été utilisé comme substrat, ce qui est conforme aux études rapportées précédemment.
Les enzymes thermostables peuvent être produites par des souches thermophiles telles que le thermophile isolé, Thermoascus aurantiacus 179-5, qui a été capable de produire des niveaux élevés de pectine lyase et de polygalacturonase pendant la SSF en utilisant la bagasse d’orange et le son de blé comme sources de carbone. Ces enzymes ont présenté une température optimale autour de 65°C avec une bonne thermostabilité, en particulier la pectine lyase, qui était stable pendant 5 heures à 60°C . Kaur et Saryanarayana ont découvert que parmi les quatre moisissures thermophiles, Sporotrichum thermophile produisait une concentration élevée de xylanases, pectinases et cellulases après 4 jours d’incubation en SSF. Les combinaisons d’agro-résidus essayées étaient le son de blé et la pectine d’agrumes dans un rapport de 1:1. Dans une autre étude, Martin et al. ont isolé 34 souches fongiques thermophiles et thermotolérantes à partir de sol, de compost organique et de déchets industriels en utilisant un milieu de culture contenant de la pectine comme seule source de carbone. Toutes ces souches isolées, qui ont été identifiées au niveau du genre comme Thermomyces, Aspergillus, Monascus, Chaetomium, Neosartoria, Scopulariopsis et Thermomucor, ont produit de la pectinase au cours de la SSF. Par exemple, lorsque Thermomucor indicae seudaticae a été cultivé dans des conditions de SSF sur un milieu contenant un mélange de son de blé et de bagasse d’orange (1:1) à 70 % de l’humidité initiale, l’activité maximale de la polygalacturonase était de 120 U/mL, alors qu’elle n’a produit que 13,6 U/mL en SmF.