Extraction of Heat-Stabilised Defatted Rice Bran Protein by Solid-State Fermentation Using Heterofermentative Microbes from Traditional Asian Starters

Abstract

Research background. Heat-stabilised defatted rice bran (HSDRB) is a primary by-product of rice bran oil extraction industry and a nutritious source of protein. However, despite the unique nutritional profile of rice bran protein, the protein-rich by-product, HSDRB is underutilised as a low-value animal feed. Research on protein extraction from HSDRB by enzymatic hydrolysis has attracted the attention of numerous scientists. However, a cost-effective extraction method is required to mitigate the high costs associated with the use of enzymes. Therefore, we have presented an alternative economical and natural approach for protein extraction from HSDRB by solid-state fermentation (SSF) with heterofermentative microbes. Experimental approach. SSF of HSDRB with two types of traditional Asian fermentation starters, namely loog-pang and koji, were evaluated for enzyme production and their efficacy in extracting proteins from HSDRB. For this purpose, HSDRB fermentation was carried out for 0, 12, 24, 48, 72 and 96 h followed by 24-hour hydrolysis to evaluate the extracted rice bran protein. In addition, microbiome diversity in the fermentation starters was also determined by metagenomic sequencing of 16S rRNA and internal transcribed spacer to identify bacteria and fungi, respectively. Results and conclusions. The microbial community in the fermentation starters showed the dominance of lactic acid bacteria (LAB) such as Bacillus subtilis in loog-pang and Streptococcus lutetiensis, Bacillus pumilus, Lactococcus cremoris, Lactococcus garvieae and Pediococcus pentosaceus in koji, while yeast species Saccharomycopsis fibuligera and Saccharomyces cerevisiae dominated the fungal diversity in loog-pang and koji starters, respectively. The results suggest that loog-pang and koji can produce cellulase, neutral and acid proteases during fermentation. Despite the discrepancy in their microbial diversity and the enzyme activity during SSF, both starters could effectively increase protein extraction from HSDRB. A positive relationship between the SSF duration and extracted protein was observed. During SSF with loog-pang and koji after 72 h followed by 24-hour hydrolysis, 65.66 and 66.67 % protein was extracted from HSDRB, respectively. The amino acid analysis of the protein hydrolysate produced by the non-fermented and fermented methods showed no difference and had an abundance of glutamic and aspartic acids, leucine, arginine, alanine and glycine amino acids, which accounted for approx. 58 % of the total amino acids. Novelty and scientific contribution. Loog-pang and koji (traditional Thai and Japanese fermentation starters, respectively) were found to be effective in extracting proteins from HSDRB by SSF although they are inexpensive microbial enzyme sources. Future research aimed at scaling up HSDRB protein extraction for usage in industrial applications can draw on our results.

Alternate abstract:

Pozadina istraživanja. Toplinski stabilne nemasne rižine mekinje su glavni nusproizvod ekstrakcije ulja iz rižinih mekinja, te su bogat izvor proteina. Međutim, usprkos jedinstvenim hranjivim značajkama, taj nusproizvod bogat proteinima je slabo iskorišten i koristi se samo kao stočna hrana male vrijednosti. Sve je veći interes znanstvenika za ispitivanje ekstrakcije proteina iz toplinski stabilnih nemasnih rižinih mekinja enzimskom hidrolizom. Međutim, za to treba razviti ekonomičnu metodu kojom bi se smanjili veliki troškovi uzrokovani primjenom enzima. Stoga u radu predlažemo alternativni ekonomičan i prirodni postupak ekstrakcije proteina iz nemasnih rižinih mekinja fermentacijom heterofermentativnih mikroorganizama na čvrstoj podlozi. Eksperimentalni pristup. Ispitan je postupak proizvodnje enzima i ektrakcije proteina fermentacijom toplinski stabilnih nemasnih rižinih mekinja na čvrstoj podlozi pomoću dva tradicionalna azijska startera, loog-pang i koji. Stoga su mekinje fermentirane tijekom 0, 12, 24, 72 i 96 h, a zatim je provedena hidroliza tijekom 24 sata za procjenu izdvojenog proteina. Osim toga, određena je mikrobiološka raznolikost startera metagenomskim sekvenciranjem 16S rRNA za identifikaciju bakterija i sekvenciranjem transkribiranih internih razdjelnih zona za identifikaciju kvasaca. Rezultati i zaključci. U mikrobnoj kulturi startera loog-pang prevladavale su bakterije mliječno-kiselog vrenja poput Bacillus subtilis, dok su u starteru koji prevladavale bakterije Streptococcus lutetiensis, Bacillus pumilus, Lactococcus cremoris, Lactococcus garvieae i Pediococcus pentosaceus. Kvasac Saccharomycopsis fibuligera prevladavao je u starteru loog-pang, a Saccharomyces cerevisiae u starteru koji. Rezultati pokazuju da starter kulture loog-pang i koji tijekom fermentacije proizvode celulazu, te neutralne i kisele proteaze. Usprkos različitom mikrobiološkom sastavu i aktivnosti enzima tijekom fermentacije na čvrstoj podlozi, primjenom se obje starter kulture uspješno povećala ekstrakcija proteina iz rižinih mekinja. Opažena je pozitivna korelacija između trajanja fermentacije i ekstrakcije proteina. Nakon 72 h fermentacije i 24 h hidrolize, u podlozi s loog-pang starterom iz rižinih je mekinja izolirano 65,66 % proteina, a u podlozi s koji starterom 66,67 % proteina. Usporedbom aminokiselinskog sastava proteinskih hidrolizata dobivenih fermentacijom i metodom bez fermentacije nisu utvrđene razlike među njima, a glutaminska i asparaginska kiselina, leucin, arginin, alanin i glicin činile su otprilike 58 % ukupnih aminokiselina. Novina i znanstveni doprinos. Tijekom fermentacije na čvrstoj podlozi pomoću tradicionalnog tajlandskog startera loog-pang i tradicionalnog japanskog startera koji učinkovito su izolirani proteini iz toplinski stabilnih nemasnih rižinih mekinja, iako se one smatraju jeftinim izvorom mikrobnih enzima. Dobiveni rezultati mogu biti korisni za buduća istraživanja ekstrakcije proteina iz rižinih mekinja u industrijskim uvjetima.