Microscopic and Spectroscopic exploration of brewer’s spent grain fermentation by Aspergillus oryzae for kojic acid synthesis

International audience

Inglés. Kojic acid is a secondary metabolite produced by many fungi, especially Aspergillus, duringthe fermentation of certain Asian foods. It takes its name from koji, the rice fermented byAspergillus 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 andUV-protective properties. It is primarily used to treat hyperpigmentation disorders such asdark spots, melasma and acne scars. Its mechanism of action relies mainly on inhibitingtyrosinase, the enzyme that catalyzes melanin synthesis, by chelating the copper ion at theenzyme’s active site. In addition to its depigmenting effects, kojic acid exhibits antioxidantand 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 beerproduction. 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 cosmeticingredients via fermentation. We selected Aspergillus oryzae for its cellulolytic activity and itsability to synthesize kojic acid. By combining metabolic analyses with scanning fluorescencemicroscopy and infrared vibrational spectroscopic, we aim to determine how A. oryzaecolonizes and degrades BSG to produce kojic acid. Kojic acid concentration will bemeasured using the Bentley colorimetric assay at 500 nm, which quantifies the complexformed between kojic acid and ferric chloride. Scanning fluorescence microscopy, usingCalcofluor-White staining, will reveal the spatial distribution of A. oryzae on BSG. Finally,Optical Photothermal Infrared (O-PTIR) microspectroscopy will be applied to assess thefermentation state of the grains by comparing the IR spectra of BSG and A. oryzae to thoseof pure reference powders.This project is part of a larger effort to develop a sustainable and innovative approach toproducing high-value molecules by valorizing agro-industrial wastes through fermentation.

Francés. L’acide kojique est un métabolite secondaire produit par de nombreux champignons,notamment Aspergillus, lors de la fermentation de certains aliments asiatiques. Il tient sonnom du koji, riz fermenté par Aspergillus oryzae, utilisé dans la fabrication du saké d’où il aété isolé pour la première fois par Saito en 1907 (Saeedi, 2019). C’est un agent actif bienétabli en cosmétique pour ses propriétés de dépigmentation et de protection UV. Il estprincipalement utilisé pour traiter les troubles cutanés liés à l’hyperpigmentation, notammentles taches sombres, le mélasma et les cicatrices d’acné. Son mécanisme d’action reposeprincipalement 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 propriétésdépigmentantes, l’acide kojique présente des effets antioxydants et antimicrobiens, ce qui enfait 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 peuvalorisés, tels que les drèches de bières (brewer’s spent grains, BSG). Les BSG sont lesgrains de malt résiduels obtenus au cours du brassage. Ils sont appauvris en sucresfermentescibles et sont constitués en moyenne de 70% de glucides lignocellulosiques(cellulose, hémicellulose, arabinoxylane, lignine), 20% de protéines, 10% de lipides ainsi quedes 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 produitsactifs pour les soins de la peau par le biais de la fermentation. Nous avons sélectionné lamoisissure Aspergillus oryzae pour son activité cellulosique et sa capacité de synthèsed’acide kojique. Par des approches croisées d’analyses métaboliques, de microscopie defluorescence à balayage et de spectroscopie vibrationnelle infrarouge, nous cherchons àévaluer comment A. oryzae se fixe aux BSG et les dégrade pour synthétiser de l’acidekojique. La concentration d’acide kojique est évaluée selon la méthode de Bentley, undosage colorimétrique à 500 nm mesurant la formation d’un complexe entre l’acide kojique etdu 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 microspectroscopieinfrarouge O-PTIR (Optical Photothermal Infrared) est envisagée pour évaluer l’état defermentation des grains par l’identification de molécules cibles en comparant les spectresinfrarouges 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 durableet innovante de synthèse de molécules d’intérêts en valorisant des déchets agro-alimentaires par fermentation.