Microscopic and Spectroscopic exploration of brewer’s spent grain fermentation by Aspergillus oryzae for kojic acid synthesis
Résumé
Kojic acid is a secondary metabolite produced by many fungi, especially Aspergillus, during the fermentation of certain Asian foods. It takes its name from koji, the rice fermented by Aspergillus oryzae used in sake production, from which it was first isolated by Saito in 1907 (Saeedi, 2019). It is a well-established active ingredient in cosmetics for its depigmenting and UV-protective properties. It is primarily used to treat hyperpigmentation disorders such as dark spots, melasma and acne scars. Its mechanism of action relies mainly on inhibiting tyrosinase, the enzyme that catalyzes melanin synthesis, by chelating the copper ion at the enzyme’s active site. In addition to its depigmenting effects, kojic acid exhibits antioxidant and antimicrobial activities, making it a valuable component in skin-care formulations (Chib, 2023). Meanwhile, the food and beverage industry generates large amounts of under-utilized by- products such as brewer’s spent grain (BSG), the residual malt grains left after beer production. BSG are depleted in fermentable sugars and on average consist of about 70% lignocellulosic carbohydrates (cellulose, hemicellulose, arabinoxylan, lignin), 20% protein, 10% lipids, and trace minerals and amino acids (Mussatto, 2006; Mitri, 2022). In this study, we propose to evaluate the potential of BSG as a feedstock for active cosmetic ingredients via fermentation. We selected Aspergillus oryzae for its cellulolytic activity and its ability to synthesize kojic acid. By combining metabolic analyses with scanning fluorescence microscopy and infrared vibrational spectroscopic, we aim to determine how A. oryzae colonizes and degrades BSG to produce kojic acid. Kojic acid concentration will be measured using the Bentley colorimetric assay at 500 nm, which quantifies the complex formed between kojic acid and ferric chloride. Scanning fluorescence microscopy, using Calcofluor-White staining, will reveal the spatial distribution of A. oryzae on BSG. Finally, Optical Photothermal Infrared (O-PTIR) microspectroscopy will be applied to assess the fermentation state of the grains by comparing the IR spectra of BSG and A. oryzae to those of pure reference powders. This project is part of a larger effort to develop a sustainable and innovative approach to producing high-value molecules by valorizing agro-industrial wastes through fermentation.
L’acide kojique est un métabolite secondaire produit par de nombreux champignons, notamment Aspergillus, lors de la fermentation de certains aliments asiatiques. Il tient son nom du koji, riz fermenté par Aspergillus oryzae, utilisé dans la fabrication du saké d’où il a été isolé pour la première fois par Saito en 1907 (Saeedi, 2019). C’est un agent actif bien établi en cosmétique pour ses propriétés de dépigmentation et de protection UV. Il est principalement utilisé pour traiter les troubles cutanés liés à l’hyperpigmentation, notamment les taches sombres, le mélasma et les cicatrices d’acné. Son mécanisme d’action repose principalement sur l'inhibition de la tyrosinase, enzyme clé dans la synthèse de la mélanine, par un processus de chélation du cuivre au site actif de l'enzyme. En plus de ses propriétés dépigmentantes, l’acide kojique présente des effets antioxydants et antimicrobiens, ce qui en fait un ingrédient précieux pour la formulation de produits de soins de la peau (Chib, 2023). Par ailleurs, l’industrie agro-alimentaire génère de grandes quantités de sous-produits peu valorisés, tels que les drèches de bières (brewer’s spent grains, BSG). Les BSG sont les grains de malt résiduels obtenus au cours du brassage. Ils sont appauvris en sucres fermentescibles et sont constitués en moyenne de 70% de glucides lignocellulosiques (cellulose, hémicellulose, arabinoxylane, lignine), 20% de protéines, 10% de lipides ainsi que des traces de minéraux et de divers acides aminés (Mussatto, 2006; Mitri, 2022). Dans cette étude, nous proposons d’évaluer le potentiel des BSG comme source de produits actifs pour les soins de la peau par le biais de la fermentation. Nous avons sélectionné la moisissure Aspergillus oryzae pour son activité cellulosique et sa capacité de synthèse d’acide kojique. Par des approches croisées d’analyses métaboliques, de microscopie de fluorescence à balayage et de spectroscopie vibrationnelle infrarouge, nous cherchons à évaluer comment A. oryzae se fixe aux BSG et les dégrade pour synthétiser de l’acide kojique. La concentration d’acide kojique est évaluée selon la méthode de Bentley, un dosage colorimétrique à 500 nm mesurant la formation d’un complexe entre l’acide kojique et du chlorure de fer (III). La microscopie biphotonique nous renseigne sur la distribution d’A. oryzae par marquage au Calcofluor-White sur les BSG. Enfin, la microspectroscopie infrarouge O-PTIR (Optical Photothermal Infrared) est envisagée pour évaluer l’état de fermentation des grains par l’identification de molécules cibles en comparant les spectres infrarouges des BSG et d’A. oryzae à ceux de poudres pures. Ce projet prend place dans une étude plus grande visant à développer une approche durable et innovante de synthèse de molécules d’intérêts en valorisant des déchets agro- alimentaires par fermentation.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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