PRODUCTION OF NATURAL AROMA COMPOUNDS BY BIOCATALYSIS

Esters play a significant role in the food industry, they are among the most important and versatile components of natural flavours and fragrances in food, drinks and cosmetics Their preparation starting from natural substrates and using bioprocesses (e.g., fermentation or enzymatic reactions) is appealing, since the final product can be labelled and commercialized in EU and USA as natural. Therefore, new biotechnological approaches for obtaining flavours are highly demanded as long as they are efficient and sustainable. Many flavour/fragrance esters can be enzymatically obtained using lipases that catalyse esterification, transesterification or interesterification reactions. In this PhD thesis we studied two systems for production of flavours esters: 1) A straightforward biocatalytic method for the enzymatic preparation of different flavour esters starting from primary alcohols (e.g., isoamyl, n-hexyl, geranyl, cinnamyl, 2-phenethyl, and benzyl alcohols) and naturally available ethyl esters (e.g., formate, acetate, propionate, and butyrate) was developed. The biotransformations are catalysed by an acyltransferase from Mycobacterium smegmatis (MsAcT) and preceded with excellent yields (80-97%) and short reaction times (30-120 minutes), even when high substrate concentrations (up to 0.5 M) were used. This enzymatic strategy represents an efficient alternative to the application of lipases in organic solvents and a significant improvement compared to already known methods in terms of reduced use of organic solvents, paving the way to a sustainable and efficient preparation of natural flavouring agents. 2) Mycelium-bound lipase of dry mycelium of Aspergillus oryzae catalysed direct esterification of alcohols and acetic acid in organic solvent, showing high stability towards substrates and products. Water produced during the esterification did not significantly affect the equilibrium of the reaction, allowing for high conversions. These features were exploited for preparing flavour-active acetate esters (e.g., isoamyl and cinnamyl acetate) in batch and continuous systems. A continuous stirred tank membrane reactor (CST-MR) was developed securing good reactor productivity and high biocatalyst stability. Both production systems are promising, represent two different alternatives and can be further optimized and scaled up for the interests of the industry.

Gli esteri svolgono un ruolo rilevante nell'industria alimentare, sono tra i composti più importanti e versatili di aromi e fragranze naturali in alimenti, bevande e cosmetici. La loro preparazione da substrati naturali e l'utilizzo di bioprocessi (eg. fermentazione o reazioni enzimatiche) è attrattivo, perché il prodotto finale può essere etichettato e commercializzato in UE e USA come naturale. Pertanto, nuovi approcci biotecnologici per ottenere aromi sono desiderati, una volta che siano efficienti e sostenibili. Molti esteri con proprietà aromatiche possono essere ottenuti enzimaticamente usando lipasi che catalizzano reazioni di esterificazione, transesterificazione o interesterificazione. In questa tesi di dottorato abbiamo sviluppato due sistemi per la produzione di esteri con proprietà aromatiche: 1) Un metodo biocatalitico per la preparazione enzimatica di diversi esteri con proprietà aromatiche da alcoli primari (isoamilico, n-esilico, geranilico, cinnamilico, 2-feniletilico e benzilico) ed esteri etilici naturalmente disponibili (formiato, acetato, propionato e butirrato). Le biotrasformazioni sono catalizzate da un'aciltransferasi di Mycobacterium smegmatis (MsAcT) e precedute da eccellenti rese (80- 97%) e brevi tempi di reazione (30-120 minuti), anche quando sono state utilizzate concentrazioni di substrato elevate (fino a 0,5 M). Questa strategia enzimatica rappresenta un'alternativa efficace all'applicazione delle lipasi nei solventi organici e un miglioramento significativo rispetto ai metodi già noti in termini di uso ridotto di solventi organici, aprendo la strada a una preparazione sostenibile ed efficiente degli agenti aromatizzanti naturali. 2) Un metodo biocatalitico con la lipasi legata al micelio liofilizzato di Aspergillus oryzae che catalizza l'esterificazione diretta di alcoli e acido acetico in solvente organico. Ha mostrato un'elevata stabilità verso substrati e prodotti. L'acqua prodotta durante l'esterificazione non ha influenzato in modo significativo l'equilibrio della reazione, consentendo conversioni elevate. Queste caratteristiche sono state sfruttate per preparare esteri con proprietà aromatiche dell'acetato (isoamil e cinnamil acetato) in sistemi in batch e continui. È stato sviluppato un continuous stirred tank membrane reactor (CST-MR) ovvero un reattore continuo a membrana sotto agitazione per garantire una buona produttività e un'elevata stabilità del biocatalizzatore. Entrambi i sistemi di produzione sono promettenti, rappresentano due diverse alternative e possono essere ulteriormente ottimizzati e scalati per gli interessi del settore.