Investigation of enzymatic hydrolysis inhibition of sucrose using sugar beet molasses for biorefineries

Abstract

Molasses is a low value by-product from sugar production that is usually used for animal
feed, bioethanol fermentation, and yeast growth substrate. Even though it is a by-product and
most of the sugar have been taken out the molasses still contains a fair amount of sugar that
can be used for production of HMF, a biobased platform chemical with many areas of application, for example as a feedstock for biobased plastics. Using enzymatic hydrolysis with invertase from Saccharomyces cerevisiae, the sucrose is hydrolyzed to glucose and fructose.
The enzyme activity is reduced when hydrolyzing the sucrose in molasses. This report will
present the findings and procedures for the investigation of potential component in the crude
and pretreated molasses that reduces the enzyme activity for invertase. For that investigation
the elemental and macromolecules analysis of different molasses have been carried out.
The elemental analysis revealed the concentration of different elements in the molasses samples. Using this information, experiment where different elements that were of interest were
spiked into a pure sucrose solution with a concentration of 300 g sucrose/L and a pH of 4.5 to
determine if they inhibit the enzyme activity of invertase. The invertase came from 2 mg (dry
weight) of Saccharomyces cerevisiae and the reaction temperature was set to 55℃. The elements spiked were, Na, Ca, K, Mg, Cu, and a mix of all the elements mentioned. Besides salt
spiking the viscosity influence was also tested. To get a better characterization of molasses a
LC-MS analysis was performed as well as analysis to determine conductivity, ash content,
and polyphenolic content.
The results show that Na, Ca, Mg, Cu does not affect the enzyme activity in the investigated
ranges. The conversion of sucrose after 30 minutes was between 80% and 90% for the pure
sucrose solution and salt spiked samples, compared to 50%-60% for the molasses samples.
The K and mixed salt spiking trials showed that for the pure sucrose solution and salt spiked
samples at the concentration that are in molasses the conversion of sucrose after 30 min were
between 75% and 85%. For the molasses samples and salt spiked samples with 4 times the
concentration in molasses the conversion of sucrose after 30 minutes was between 50% and
65%. Indicating that an inhibition had occurred in the high concentration samples. This is
possibly because of ionic strength and/or synergy between different elements. The viscosity
and/or polyphenolic content could also be possible inhibitors of invertase. It is also shown
that there is no difference in the enzymatic hydrolysis between the crude molasses and the
nano filtered molasses with both having roughly the same conversion rate in all the experiments.

Popular Abstract (Swedish)

Behovet av mer miljövänliga lösningar har aldrig varit större än idag. Mängden koldioxidutsläpp ökar ständigt, vilket leder till ökad mängd koldioxid i atmosfären. Vid tillverkning av
plast används idag vanligtvis olja som råmaterial, men man kan använda biobaserat råmaterial
i stället såsom socker. I Sverige produceras socker av sockerbetor. En restprodukt är då melass en tjock sirapsliknande sockerlösning som idag används som djurfoder.
Detta projekt undersöker möjlighet en att använda melass för att utvinna enkla sockerarter,
glukos och fruktos, som i sin tur kan används för att bland annat producera HMF som kan
användas för att producera biobaserad plast. För att kunna utvinna glukos och fruktos från
melassen så används en process som kallas enzymatisk hydrolys med invertas. Invertas är ett
enzym som återfinns i vanlig bakjäst, detta enzym delar på sackarosmolekylen till en glukosoch en fruktosmolekyl. För enzymatisk hydrolys så behöver processen hålla optimalt pH och
temperatur för att enzymerna ska kunna bryta ner så mycket av sockret som möjligt. Problem
är att det finns något i melassen som reducerar invertasets förmåga att omvandla sackarosen
till glukos och fruktos och det är detta fenomen som detta projekt undersöker.
För att utreda vad i melassen som skulle kunna påverka enzymet gjordes en analys för att få
fram vilka ämnen och dess respektive koncentration som förekommer i melass. Med hjälp av
dessa resultat så kunde försök designas. Analysen visade på att det fanns en rad olika ämnen i
melass och de som mest troligen påverkar processen valdes ut. De ämnen som testades i
denna undersökning var natrium, kalcium, kalium, magnesium, koppar och en mix de fem
ämnena, detta gjordes vid olika koncentration av respektive ämne. Resultaten från försöken
med elementen jämfördes med resultaten för ren melass och ren sackaroslösning för att se om
det fanns någon skillnad i enzymens förmåga att producera glykos och fruktos. Förutom detta
experiment så gjordes även försök och mätningar på viskositeten. Det utfördes även experiment för att få bättre förståelse för melass och dess sammansättning.
Experiment visade på att viskositeten hos melass inte påverkar enzymet förmåga att bryta ner
sockret. De försök som visar tydlig påverkan för möjligheten att byta ner socker var kaliumförsöket, och försöket med blandningen av de fem ämnena som nämndes ovan. Detta skulle
kunna bero på jonstyrka och eventuella synergieffekter mellan de olika ämnena, då koncentrationen av kalium är väldigt hög i melass.
Resultaten för detta projekt kommer hjälpa oss att förstå vad i melassen som minskar förmågan hos enzymet att bryta ner sackarosen. Med denna kunskap så kan melassen på ett mer
effektivt sätt användas vid produktion av HMF. Viktigt att komma ihåg är att denna utredning
bara är ett första steg. Det kommer att krävas ytterligare försök för att förstå vad som sker och
därtill forskning för att bestämma vilka processteg som ska användas och om de är ekonomiskt hållbara att använda.
Texten ovan är en populärvetenskaplig sammanfattning av examensarbetet Investigation of
enzymatic hydrolysis inhibition of sucrose using sugar beet molasses for biorefineries
av Maria Ekerup.

• author: Ekerup, Maria
• supervisor: Mikael Sjölin; Mahmoud Sayed
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Sugars, Enzymatic hydrolysis, Invertase, Beet molasses, Inhibition, Saccharomyces cerevisiae, Chemical Engineering
• language: English
• id: 9078316
• date added to LUP: 2022-04-27 13:39:39
• date last changed: 2022-04-27 13:39:39