Food science bioprospect: Microbial amylolytic degradation of rice using culture dependent and independent approaches

Abstract

The discovery of new amylases capable of degrading various starch sources, such as rice, could allow the development of new products at an industrial level. This has prompted the exploration of environments with high microbial diversity, using culture-dependent and culture- independent techniques, to discover of new catalysts. The research presented in the following pages was focused on the use of these techniques to identify bioprospects capable of generating amylases that degrade starch from rice into fermentable sugars. The objectives of the study were: (1) the isolation and characterization of cultivable amylolytic bioprospects from soil samples from the Lajas Agricultural Experiment Station, (2) the determination of the effect of the enzymatic activity of the bioprospects on rice particles of different sizes, (3) the generation of a metagenomic library from paddy soil samples, (4) the study of microbial diversity present in those samples, and (5) the screening of the metagenomic libraries to evaluate the amylases and amylolytic activity by physiological and genetic analysis. Using culture-dependent techniques, a total of 184 culturable amylolytic bioprospect of EEA were isolated. An enzymatic degradation was performed with rice particles of different sizes, using the 3 bioprospects that had greater degradation capacity than the positive controls (ATCC 6633 and ATCC 10867). The results suggest that rice particles with sizes ranging from 1.18 to 0.600 mm had higher susceptibility to enzymatic degradation when compared to uncut grain particles and those ranging between and 0.600 to 0.426 mm. In addition, using culture- independent techniques, no amylolytic activity was observed.

El descubrimiento de nuevas amilasas capaces de degradar diversas fuentes de almidón, como el arroz, podría conllevar el desarrollo de nuevos productos a nivel industrial. Esto ha impulsado la exploración de entornos con una gran diversidad microbiana, utilizando técnicas dependientes e independientes de cultivos, para descubrir nuevos catalizadores. La investigación presentada a continuación se enfocó en el uso de estas técnicas para identificar bio-prospectos capaces de generar amilasas que degradan el almidón de arroz en azúcares fermentables. Los objetivos de este estudio fueron: (1) el aislamiento y caracterización de bio-prospectos amilolíticos cultivables a partir de muestras de suelo de la Estación Experimental Agrícola de Lajas (EEA, Lajas), (2) la determinación del efecto de la actividad enzimática de los estos sobre partículas de arroz de diferentes tamaños, (3) la generación de una biblioteca metagenómica a partir de muestras de suelo de arroz, (4) el estudio de la diversidad microbiana presente en esas muestras y (5) la selección de las bibliotecas metagenómicas para evaluar las amilasas y la actividad amilolítica mediante análisis fisiológico y genético. Utilizando técnicas dependientes del cultivo, se aislaron un total de 184 bio-prospectos amilolíticos cultivables de (EEA-Lajas). Se realizó una degradación enzimática con partículas de arroz de diferentes tamaños, utilizando los 3 bio-prospectos que presentaron mayor capacidad de degradación que los controles positivos (ATCC 6633 y ATCC 10867). Los resultados sugieren que las partículas de arroz con tamaños que oscilan entre 1.18 y 0.600 mm tienen una mayor susceptibilidad a la degradación enzimática en comparación con las partículas de grano hueco y las que oscilan entre 0.600 y 0.426 mm. Además, utilizando técnicas independientes del cultivo, no se observó actividad amilolítica.