Introduction

The ever-increasing need to achieve efficient and low-cost monogastric animal production in the tropics (Korver 2023Korver, D.R. 2023. Review: Current challenges in poultry nutrition, health, and welfare. Animal, 17(2): 100755, ISSN: 1751-7311. https://doi.org/10.1016/j.animal.2023.100755. and Wlazlak et al. 2023Wlazlak, S., Pietrzak, E., Biesek, J. & Dunislawska, A. 2023. Modulation of the immune system of chickens a key factor in maintaining poultry production-a review. Poultry Science, 102(8): 102785, ISSN: 1525-3571. https://doi.org/10.1016/j.psj.2023.102785. ) determines the selection of alternative raw materials with acceptable bioavailability, and which compete as little as possible with human nutrition. Agricultural by-products have become important components of the circular economy with their use in animal feeding (Plouhinec et al. 2023Plouhinec, L, Neugnot, V., Lafond, M. & Berrin, J.G. 2023. Carbohydrate-active enzymes in animal feed. Biotechnology Advances, 65: 108145, ISSN: 1873-1899. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108145. ). One of the ways to implement it was the use of microorganisms that produce exogenous enzymes, capable of improving nutritional value, reducing fiber content and antinutritional factors.

Lignocellulolytic fungi are microorganisms suitable for developing bioconversion processes through solid-state fermentation (SSF), due to their ability to grow in substrates with low water content (Zwinkels et al. 2023Zwinkels, J., Wolkers, R. J. & Smid, E.J. 2023. Solid-state fungal fermentation transforms low-quality plant-based foods into products with improved protein quality LWT Food. Science and Technology, 184: 114979, ISSN: 1096-1127. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2023.114979. ). The new applications of fungal SSF have gained significant interest in recent decades to produce valuable organic compounds and to valorize various agri-food wastes and discards. This reduces their environmental impact (Cebrián and Ibarruri 2023Cebrián, M. & Ibarruri, J. 2023. Filamentous fungi processing by solid-state fermentation. Filamentous Fungi Biorefinery. In book: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. pp: 251-292, ISBN: 978-0-323-91872-5. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91872-5.00003-X. ).

The range of industrial products that can be obtained through fungal SSF includes enzymes, organic acids, biofuels and various active and other compounds such as antibiotics, pigments or biological control agents, with applications in foods, feeds, pharmaceuticals, cosmetics, biofuels or agronomic sectors (Boondaeng et al. 2024Boondaeng, A., Keabpimai, J., Trakunjae, C., Vaithanomsat, P., Srichola, P. & Niyomvong, N. 2024. Cellulase production under solid-state fermentation by Aspergillus sp. IN5: Parameter optimization and application. Heliyon, 10(5): e26601, ISSN: 2405-8440. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26601. ). The SSF offers several advantages, including lower energy requirements and higher productivity. However, several operational aspects remain without an effective technical solution, so only a few compounds are industrially implemented (Kuhad et al. 2016Kuhad, R.C., Deswal, D., Sharma S., Bhattacharya A., Jain, K.K., Kaur A., Pletschke B.I., Singh A. & Karp M. 2016. Revisiting cellulase production and redefining current strategies based on major challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55(C): 249-272, ISSN: 1879-0690. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.132. ).

The bioconversion of fibrous substrates of different nature has as a critical point the access to the polysaccharide matrix. This aspect depends largely on the fiber composition and, in particular, its cellulose and lignin content (Saldarriaga-Hernández et al. 2020Saldarriaga-Hernández, S., Velasco, C, Flores, P., Rostro, M., Parra, R., Iqbal, H. & Carrillo, D. 2020. Biotransformation of lignocellulosic biomass into industrially relevant products with the aid of fungi-derived lignocellulolytic enzymes. International Journal of Biological Macromolecules, 161: 1099-1116, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.047. ). The structural complexity of the fiber, as well as its close association and chemical cross-linking, make them recalcitrant biomolecules.

Cellulose-modifying enzymes have the ability to hydrolyze β-1.4-glucosidic bonds to low molecular weight products, including hexoses and pentoses. Its complex organization consists of three main components: endo-β-glucanase, exo-β-glucanase and β-glucosidase. The sequential stages of cellulolysis require a synergistic sequence of events (Singh et al. 2021Singh, A., Bajar, S., Devi, A. & Pantc, D. 2021. An overview on the recent developments in fungal cellulase production and their industrial applications. Bioresource Technology Reports, 14: 100652, ISSN: 2589-014x. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100652. ). However, the enzymes that modify lignin are oxidative, non-specific, and act through non-protein mediators (Dias et al. 2022Dias, M.C., Belgacem, M.N., de Resende, J.V., Martins M.A., Damásio, R.A.P., Tonoli, G.H.D. & Ferreira, S.R. 2022. Eco-friendly laccase and cellulase enzymes pretreatment for optimized production of high content lignin-cellulose nanofibrils. International Journal of Biological Macromolecules, 209(Pt A): 413-425, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.04.005. ). Among the main ligninolytic enzymes, laccases (oxidoreductases capable of degrading the phenolic and aromatic units of lignin with the reduction of molecular oxygen to water) are the most widely applied in industry (Coêlho et al. 2021Coêlho, M., Câmara J.R., Santos, F.A., Ramos, J.G., de Vasconcelos, S.M., Soares, T.C., de Melo, S.F., Machado, D.A. & Campos, L.T. 2021. Use of agroindustrial wastes for the production of cellulases by Penicillium sp. FSDE15. Journal of King Saud University - Science, 33(16): 101553, ISSN: 1018-3647. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101553.). For this reason, the design of strategies for the production of lignocellulolytic enzymes will improve the digestibility and nutritional quality of alternative sources so that, in a sustainable and ecological way, more efficient agricultural production can be achieved. This review deals with aspects related to lignocellulolytic fungi, their enzymes, and their biotechnological potential in Cuba.

Cell wall structure and composition of lignocellulosic material

The characteristics, composition, and structure of plant cell walls are described by various authors in the international literature. According to Quiroz and Folch-Mallol (2011)Quiroz, R.E. & Folch-Mallol, J.L. 2011. Plant cell wall degrading and remodeling proteins: current perspectives. Biotecnología Aplicada, 28(4): 205-215, ISSN: 1027-2852. http://scielo.sld.cu/pdf/bta/v28n4/bta01411.pdf. , the structure of the cell wall is responsible for tensile strength, as well as shaping the cell and conferring resistance to pathogens. It is a highly organized structure composed of cellulose, hemicellulose, and the phenolic polymer lignin. The composition and percentages vary among plant species, depending on their age, tissue, and growth stage (Zhang and Lynd 2004Zhang, Y.H. & Lynd, L.R. 2004. Toward an aggregated understanding of enzymatic hydrolysis of cellulose: noncomplexed cellulase systems. Biotechnology and Bioengineering, 88(7): 797-824, ISSN: 1097-0290. https://doi.org/10.1002/bit.20282. ).

Cellulose: It is the main component of plants cell wall. It is the most abundant polymer in nature, it constitutes 50 % of their dry weight. Depending on the degree of polymerization, it can have 2,000 to 25,000 glucose units. It is composed of D-glucose monomers, linked by β-1.4 glycosidic bonds that form cellobiose molecules. The β-glucosidic bond configuration forms a crystalline structure. The crystalline regions are separated by amorphous cellulose. The cellulose is intertwined with hemicellulose and lignin, forming a structure that is highly resistant to degradation, so very few microorganisms can hydrolyze it (Kameshwar and Qin 2016Kameshwar, A.K. & Qin, W. 2016. Recent developments in using advanced sequencing Technologies for the genomic studies of lignin and cellulose degrading microorganisms. International Journal Biological Science, 12(2): 156-171, ISSN: 1449-2288. https://doi.org/10.7150/ijbs.13537. ).

Hemicellulose: Is a complex polymer of heteropolysaccharides, formed by pentoses (D-xylose and L-arabinose) and hexoses (D-glucose, D-mannose and D-galactose), which form branched chains, in addition to the acid sugars 4-O-methylglucuronic acid, D-galacturonic and D-glucuronic, linked by β-1.4 glycosidic bonds and others by β-1.3 bonds. It has branches formed by sugars (xylans, xyloglucans, mannans, glucomannans and glucans). Xylan constitutes more than 70 % of the composition of hemicellulose. It is the most abundant and is formed by β-1.4 bonds of D-xylose units. It acts as a connection between lignin and cellulose through ester-type bonds, and with cellulose through hydrogen bonds (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ).

Lignin: It is a polymer highly resistant to chemical and biological degradation. Few organisms can mineralize the hydrolysis of the polysaccharides it protects. It is part of the cell wall, as a structural support and impermeability. Structurally, it is an irregular, insoluble, branched heteropolymer, formed by three aromatic alcohols of the phenylpropane type: coumaryl, coniferyl and sinapyl alcohol, joined by C-C bonds and ether bonds between the aromatic rings. Lignin is the most difficult component of lignocellulosic material to degrade (Saldarriaga-Hernández et al. 2020Saldarriaga-Hernández, S., Velasco, C, Flores, P., Rostro, M., Parra, R., Iqbal, H. & Carrillo, D. 2020. Biotransformation of lignocellulosic biomass into industrially relevant products with the aid of fungi-derived lignocellulolytic enzymes. International Journal of Biological Macromolecules, 161: 1099-1116, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.047. ).

Main glycolytic enzymes involved in lignocellulose degradation

Cellulases are O-glucoside hydrolases that hydrolyze the β-1.4 bond of cellulose. They are characterized by their modular structure: catalytic, peptide-binding, and cellulose-binding. They are classified according to their enzymatic activity: endoglucanases, exoglucanases, and β-glucosidases (Escuder et al. 2018Escuder, J.J., De Castro, M.E., Cerdán, M.E., Rodríguez, E., Becerra, M. & González, M. I., 2018. Cellulases from thermophiles found by metagenomics. Microorganisms, 6(3): 66-73, ISSN: 2076-2607. https://doi.org/10.3390/m0119e15. ).

The endoglucanases (EC 3.2.1.4; 1.4-β-D-glucan-4-glucanohydrolase) are monomeric enzymes, whose molecular mass ranges between 22 and 45 kDa. These enzymes initiate the attack of the amorphous regions of the cellulose fiber, followed by the action of cellobiohydrolases on the reducing and non-reducing ends. The endoglucanases are not glycosylated; however, they may contain a relatively low amount of carbohydrates (1 to 12 %). The optimal pH is between 4 and 5. The optimal temperature ranges from 50 to 70 °C.

Exoglucanases or cellobiohydrolases (EC 3.2.1.74; 1.4-β-D-glucan-glucanohydrolase and EC 3.2.1.91; 1.4-β-D-glucan-cellobiohydrolase) act on the reducing and non-reducing ends of cellulose chains, releasing cellobiose. These enzymes represent 40 to 70 % of the total component of the system, and can hydrolyze crystalline cellulose. They are enzymes with a molecular mass between 50 and 65 kDa. Their glycosylation is very low (less than 12 %), their optimal pH is between 4 and 5, and their optimal temperature is between 37 and 60 °C.

The β-glucosidases weigh between 35 and 640 kDa and are mostly glycosylated. They have an optimal pH between 3.5 and 5.5 and an optimal temperature between 45 and 75 °C. The cellulase enzyme systems act synergistically. Although the synergism between the different components of the cellulase complex is not yet fully clarified, it clearly depends on several factors, such as the nature of the substrate, the affinity of the cellulase component for the substrate, the stereospecificity of the component, the concentration of the enzyme, and the ratio between the enzyme components (Zhao et al. 2019Zhao, C., Xie, B., Zhao, R. & Fang, H. 2019. Microbial oil production by Mortierella isabellina from sodium hydroxide pretreated rice straw degraded by three-stage enzymatic hydrolysis in the context of on-site cellulase production. Renewable Energy, 130(C): 281-289, ISSN: 1879-0682. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.06.080. ).

The hemicellulases are glycoside hydrolases; but some may be carbohydrate esterases. Xylanases are the main enzymes involved in the degradation of hemicellulose. This group includes endoxylanases (EC 3.2.1.8; endo-1.4-β-D-xylanases) and β-xylosidases (EC 3.2.1.37; xylan 1.4-β-xylosidase). They also require accessory enzymes, such as xylan esterases, ferulic and coumaric esterases, α-arabinofuranosidases, and α-4-methyl glucuronosidases, among others, which act synergistically (Hu et al. 2013Hu, J., Arantes, V., Pribowo, A. & Saddler, J.N. 2013. The synergistic action of accessory enzymes enhances the hydrolytic potential of a “cellulase mixture” but is highly substrate specific. Biotechnology for biofuels, 6(112): 1-12, ISSN: 2731-3654. https://doi.org/10.1186/1754-6834-6-112. ).

Lignin depolymerization involves extracellular oxidative enzymes, which release highly unstable products that subsequently have oxidation reactions, peroxidases and laccases (Viswanath et al. 2014Viswanath, B., Rajesh, B., Janardhan, A., Kumar, A. P. & Narasimha, G. 2014. Fungal laccases and their applications in bioremediation. Enzyme Research, 2014: 163242, ISSN: 2090-0414. http://doi.org/10.1155/2014/163242. ). Among the peroxidases are lignin peroxidase (LiP; EC 1.11.1.14) and manganese-dependent peroxidase (MnP; EC 1.11.1.13), which are oxidoreductase enzymes. Lignin peroxidase is a glycoprotein that can oxidize phenolic and non-phenolic compounds, amines, aromatic ethers and polycyclic aromatics and is the most effective. Manganese-dependent peroxidase uses manganese as a substrate and oxidizes it from Mn²⁺ to Mn³⁺ and acts as an oxidant of lignin compounds. In other studies, a third type, the versatile peroxidase, was found that combines both activities.

Laccases (p-diphenol oxygen oxidoreductases; EC 1.10.3.1) are polyphenol oxidase enzymes. They contain four copper ions in their active center and catalyze the oxidation of phenolic compounds by reducing molecular oxygen to water, generating insoluble compounds that are easily recovered. They also catalyze the oxidation of many phenolic and non-phenolic compounds in the presence of mediators (Brink et al. 2019Brink, D.P., Ravi, K., Lidén, G. & Gorwa, M.F. 2019. Mapping the diversity of microbial lignin catabolism: experiences from the eLignin database. Applied Microbiology and Biotechnology, 103(10): 3979-4002, ISSN: 1432-0614. https://doi.org/10.1007/s00253-019-09692-4. ).

Fungi that produce cellulolytic enzymes

Cellulolytic enzymes are a complex that catalyzes the progressive conversion of cellulose. The catalytic mechanisms of this enzyme complex are synergistically develop, which ensure the efficiency of bioconversion. Cellulolytic fungi produce these enzymes under conditions of a lack of alternative carbon sources with greater degradability and absorption, and of other nitrogen sources that are also rich in metabolizable energy and provide carbon chains. This characteristic is due to the strict catabolic repression control to which cellulase genes are subject (Beier et al. 2022Beier, S., Stiegler, M., Hitzenhammer, E. & Schmoll, M. 2022. Screening for genes F in cellulase regulation by expression under the control of a novel constitutive promoter in Trichoderma reesei. Current Research in Biotechnology, 4(12): 238-246, ISSN: 2599-2628. https://doi.org/10.1016/j.crbiot.2022.04.001. ). Under such conditions, these microorganisms use enzymes to separate simple sugars from the solid substrate and use them as a carbon source (Singh et al. 2021Singh, A., Bajar, S., Devi, A. & Pantc, D. 2021. An overview on the recent developments in fungal cellulase production and their industrial applications. Bioresource Technology Reports, 14: 100652, ISSN: 2589-014x. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100652. ).

There are complementary activities between the types of enzymes they have and they are considered responsible for synergism, since the action of two or more combined enzymes is greater than the sum of the individual activities in the degradation (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ). Synergism may occur between and within different types of cellulolytic enzymes. Although the synergism between the different components of the cellulase complex is not yet fully elucidated, it is clear that it depends on different factors, such as the nature of the substrate, the affinity for the substrate, the stereo-specificity, the concentration of the enzyme and the ratio between the enzymatic components (Saidi et al. 2024Saidi, Al., S.M.K., Al-Kharousi, Z.S.N., Rahman, M.S., Sivakumar, N., Suleria, A.H., Ashokkumar, Husain, M. & Al-Habsi, N. 2024. Thermal and structural characteristics of date-pits as digested by Trichoderma reesei. Heliyon, 10: e28313, ISSN: 2405-8440. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e2831.). In addition, the performance of cellulase mixtures in biomass conversion processes depends on several of their properties, including stability, product inhibition, specificity, synergy between different enzymes, productive binding to cellulose, physical characteristics, and the composition of cellulosic biomass (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ).

The most commonly used fungal genera in the biodegradation of lignocellulolytic biomass are Trichoderma, Aspergillus and Penicillium corresponding to more than 50 % of the studies related to cellulases, their more productive use is conditioned by the use of highly efficient enzyme mixtures (Passos et al. 2018Passos, D.F., Pereira Jr., N. & Castro, A.M. 2018. A comparative review of recent advances in cellulases production by Aspergillus, Penicillium and Trichoderma strains and their use for lignocellulose deconstruction. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 14: 60-66, ISSN: 2452-2236. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2018.06.003. ). In the available scientific literature are showed different genera and species involved in the production of cellulase enzymes (table 1). Most of these studies only consider in vitro assays to show their enzymatic potential.

Ligninolytic enzymes are produced by a large number of fungi belonging to the Ascomycota and Basidiomycota divisions (de Oliveira Rodrigues et al. 2020de Oliveira Rodrigues, P., Gurgel, L.V.A., Pasquini, D., Badotti, F., Góes-Neto, A. & Baffi, M.A. 2020. Lignocellulose-degrading enzymes production by solid-state fermentation through fungal consortium among Ascomycetes and Basidiomycetes. Renewable Energy, 145(C): 2683-2693, ISSN: 1879-0682. https://doi.org/10.1016/j.renewe.2019.08.041.). Most of ligninolytic fungi belong to Basidiomycetes group, microorganisms that are more efficient at completely degrading lignin. These fungi secrete several extracellular enzymes that are essential for the initial transformation of lignin and together achieve its mineralization (Iram et al. 2021Iram, A., Cekmecelioglu, D. & Demirci, A. 2021. Ideal Feedstock and Fermentation Process Improvements for the Production of Lignocellulolytic Enzymes. Processes, 9(1): 38, ISSN: 2227-9717. https://doi.org/10.3390/pr9010038. ). Laccases are among the most discussed enzymes in scientific papers, hence the focus on the characteristics of the fungi that produce these proteins. However, fungi belonging to Ascomycota division are decomposing microorganisms with versatile repertoires of extracellular and intracellular enzymes with high potential for lignin depolymerization (Jain et al. 2017Jain, K.K., Kumar, S., Deswal, D. & Kuhad, R.C. 2017. Improved production of thermostable cellulase from Thermoascus aurantiacus RCKK by fermentation bioprocessing and its application in the hydrolysis of office waste paper, algal pulp, and biologically treated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnology, 181(2): 784-800, ISSN: 1559-0291. https://doi.org/10.1007/s12010-016-2249-7. ). Studies on the production of ligninolytic enzymes in the different species that include the Ascomycota division are recent, so their application in the different fields of biotechnology is barely considered. Despite this, there are several reports in the scientific literature that discuss the enzymatic production of these microorganisms, mainly on the production of laccase enzymes (Pérez-Grisales et al. 2019 Pérez-Grisales, M.S., Castrillón-Tobón, M., Copete-Pertuz, L.S., Plácido, J. & Mora-Martínez, A.L. 2019. Biotransformation of the antibiotic agent cephadroxyl and the synthetic dye Reactive Black 5 by Leptosphaerulina sp. immobilised on Luffa (Luffa cylindrica) sponge. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 18: 101051, ISSN: 1878-8181. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101051.).

Fungi producing ligninolytic enzymes

Laccase-producing fungi can secrete different isoforms of the protein. The number of isoenzymes depends on each species and their expression depends on the culture components, the presence of specific inducers and the growth conditions. The stability characteristics, pH, optimal temperature and affinity for different substrates can considerably differ between isoenzymes (Xie and Liu 2024Xie, J. & Liu, S. 2024. Kinetic understanding of fiber surface lignin effects on cellulase adsorption and hydrolysis. Results in Surfaces and Interfaces, 14: 100185, ISSN: 2666-8459. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100185. ).

Laccases obtained from ligninolytic fungi have wide applications, due to their ease of separation, purification and production in bioreactors (Hernández et al. 2019Hernández, D.J.M., Ferrera, C.R. & Alarcón, A. 2019. Trichoderma: importancia agrícola, biotecnológica, y sistemas de fermentación para producir biomasa y enzimas de interés industrial. Chilean Journal of Agricultural & Animal Sciences, 35(1): 98-112, ISSN: 0719-3890. https://dx.doi.org/10.4067/S0719-38902019005000205. and Liu et al. 2022Liu, W., Zhao, M., Li, M., Li, X., Zhang, T., Chen, X, Yan, X.Y., Bian, L.S., An, Q., Li, W. & Han, M. 2022. Laccase activities from three white-rot fungal species isolated from their native habitat in North China using solid-state fermentation with lignocellulosic biomass. BioResources, 17(1): 1533-1550, ISSN: 1930-2126. https://doi.org/10.15376/biores.17.1.1533-1550. ), which allows their large-scale production. The laccases from these fungi have a higher redox potential (up to 0.8 V) than plant and bacterial laccases (0.4-0.5 V), which is why they have greater biotechnological applications (Osma et al. 2014Osma, J.F., Toca, J. L. & Rodríguez, S. 2014. Cost analysis in laccase production. Journal of Environmental Management, 92(11): 2907-2912, ISSN: 1095-8630. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2011.06.052.). However, the commercial application of laccases is limited because these enzymes are produced in small quantities. This problem is the fundamental cause that determines the increase in studies of new laccase-producing strains, as well as more efficient methods for their obtaining and purification, which guarantee an adequate quantity, specificity and catalytic activity (Xie and Liu 2024Xie, J. & Liu, S. 2024. Kinetic understanding of fiber surface lignin effects on cellulase adsorption and hydrolysis. Results in Surfaces and Interfaces, 14: 100185, ISSN: 2666-8459. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100185. ).

Given the high structural complexity of lignin (Reid 1995Reid, I. D. 1995. Biodegradation of lignin. Canadian Journal of Botany, 73(S1): 1011-1018. ISSN: 0008-4026. https://doi.org/10.1139/b95-351.), the natural mechanisms that carry out its degradation are enzymes that do not recognize the substrate in a stereospecific way, but that allow the formation of oxidizing agents able of reacting with the aromatic rings of the phenylpropane residues and with the carbon chains linked to these rings, which provoke oxidation reactions that proceed through free radicals. The aliphatic chains obtained later are degraded into carbon dioxide and water by some microorganisms. In other organisms, what occurs is the depolymerization of the units. The cooperation between diverse enzymes and their precise regulatory mechanisms become evident when it is noted that in vitro lignin degradation has not been possible (Cullen 1997Cullen, D. 1997. Recent advances on the molecular genetics of ligninolytic fungi. Journal of Biotechnology, 53(2-3): 273-289, ISSN: 1873-4863. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(97)01684-2. ). Table 2 shows different types of genera and species of fungi involved in the production of ligninolytic enzymes in lignocellulosic biomass.

Biotechnological potential in Cuba

In recent decades, research aimed at increasing the biological value of sugar industry wastes through the inoculation of filamentous fungi has been carried out in Cuba by research groups from the University of Havana (UH), the Cuban Institute of Sugarcane Derivatives (ICIDCA), the Technological University of Havana (Cujae), and the Institute of Animal Science (ICA). These latter institutions concentrated their efforts on the search for new microorganisms for productive purposes.

The ICA has collections of microorganisms with potential use in animal feeding. One of them, referring to lignocellulolytic mutant strains of fungi for enzymatic action on highly fibrous substrates, such as sugarcane bagasse (Sosa et al. 2017Sosa, A., González, N., García, Y., Marrero, Y., Valiño, E.C., Galindo, J., Sosa, D., Alberto, M., Roque, D., Albelo, N, Colomina, L. & Moreira, O. 2017. Collection of microorganisms with potential as additives for animal nutrition at the Institute of Animal Science. Cuban Journal of Agricultural Science, 51(3): 311-319, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/759. ), and the other of fungal strains, with production of β-glucosidase enzymes, belonging to ICIDCA and Cujae (Dustet and Izquierdo 2004Dustet, J.C. & Izquierdo, E. 2004. Aplicación de balances de masa y energía al proceso de fermentación en estado sólido de bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger. Biotecnología Aplicada, 21: 85-91, ISSN: 1027-2852. https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/85907663/BA002102OL085-091-libre.pdf?1652465375. ). The strains were molecularly identified, and their nucleotide sequences were registered in the Genbank. Table 3 shows the degradative activity of these microorganisms on different fibrous substrates used in animal feeding.

The ICA mutant strains belong to the species Trichoderma viride, Penicilium implicatum and Aspergillus fumigatus, producers of endo, exo β1-4 glucosidase and β-glucosidase enzymes. These strains are resistant to catabolic repression with hydrolytic activity on sugarcane bagasse, using a solid-state fermentation system, with potential for the saccharification of other grasses. The strains of Aspergillus (J-1, 6, 21, 27) and Neurospora (E623), belonging to Cujae and ICIDCA, were identified as A. niger, A. fumigatus and N. crassa. These are also efficient in the process of saccharification and simultaneous fermentation of bagasse, but with a higher β-glucosidase production than the mutants. So, they could be used in synergy with cocktails of enzymatic crudes or microorganisms (Menéndez et al. 2015Menéndez, Z., Dustet, J., Sevilla, I., Zumalacárregui, L. & Martí, M. 2015. Aplicación de crudos enzimáticos de origen fúngico en la hidrólisis del bagazo de caña de azúcar. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 49(3): 9-10, ISSN: 0138-6204. https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223144218002.). The main enzymes of the first group endo, exo β1-4 glucosidase, β glucosidase act here, and a second group endo xylanase and β xylosidase, which yield glucose and xylose respectively, as well as the accessory ones: α arbinofuranosidase, endo-mannanases, pectinases, pectate lyase, α and β galactosidase, which yield arabinose, mannose, galacturonic acid and galactose respectively, which are not quantified. However, it was confirmed by polyacrylamide gel electrophoresis that the main enzymes have well-defined bands between 25 and 66 kDa, compared with the commercial standards of NOVOZYMES (Valiño et al. 2020Valiño, E.C., Alberto, M., Dustet, J.C. & Albelo, N. 2020. Production of lignocellulases enzymes from Trichoderma viride M5-2 in wheat bran (Triticum aestivum) and purification of their laccases. Cuban Journal of Agricultural Science, 54(1): 53-64, ISSN: 2079-3480. https://cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/946. ).

The enzymes of these fungal strains were also shown to produce a series of positive changes in the nutrient content of legumes (Canavalia ensiformis, Lablab purpureus, Vigna unguiculata and Mucuna prurien) through solid-state fermentation of grain meals (Valiño et al. 2015Valiño, E., Savón, L., Elías, A., Rodríguez, M. & Albelo, N. 2015. Nutritive value improvement of seasonal legumes Vigna unguiculata, Canavalia ensiformis, Stizolobium niveum, Lablab purpureus, through processing their grains with Trichoderma viride M5-2. Cuban Journal of Agricultural Science, 49(1): 81-89, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/552. ) and foliage meals (Savón et al. 2014Savón, L., Valiño, E.C., Bell, R. & Hernández, Y. 2014. Dynamics of the physical properties and the fiber fractioning of the meal of dolic integral forage (Lablab purpureus), biotransformed with Trichoderma viride for feeding monogastrics. Cuban Journal of Agricultural Science, 48(2): 145-147, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/473., Valiño et al. 2016Valiño, E.C., Dustet, J.C., Pérez, H., Brandão, L.R., Rosa, A.C. & Scull, I. 2016. Transformation of Stizolobium niveum with cellulolytics fungi strains as functional food. Academia Journal of Microbiology Research, 4(4): 62-71, ISSN: 2315-7771. https://doi.org/10.15413/ajmr.2015.0106. and Scull et al. 2018Scull, I., Savón, L., Spengler, I., Herrera, M. & González, V. 2018. Potentiality of the forage meal of Stizolobium niveum and Stizolobium aterrimum as a nutraceutical for animal feeding. Cuban Journal of Agricultural Science, 52(2): 223-234, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/802. ). These changes included: increased essential amino acid content, soluble protein, and in vitro dry matter digestibility; significant decrease in alpha-galactoside and penta- and hexaphosphate inositol levels; reduction in protease inhibitors and lectins, as well as in the degree of tannin polymerization. Other studies were conducted to deepen our understanding of the physiological and biochemical characteristics of these fungal strains, as well as to identify new, more efficient fungal strains.

Vázquez et al. (2019)Vázquez, M.A., Cabrera, E.C.V., Aceves, M.A. & Mallol, J.L.F. 2019. Cellulolytic and ligninolytic potential of new strains of fungi for the conversion of fibrous substrates. Biotechnology Research and Innovation, 3(1): 177-186, ISSN: 2452-0721. https://doi.org/10.1016/j.biori.2018.11.001. isolated 35 fungal strains, according to the morphological characteristics of each crop, they were characterized as to the generic level, which allowed them to be grouped into 11 genera: Trichoderma, Curvularia, Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Neurospora, Hypoxylon, Cladosporium, Paecilomyces and Mucor. Isolates of Trichoderma sp., Hypoxylon sp., Aspergillus fumigatus, Curvularia kusanoi, and Curvularia lunata showed the greatest lignocellulolytic potential. The nucleotide sequences of these strains were registered in the Genbank. The strain Curvularia kusanoi L7 developed the highest induction of laccase enzymes, with growth in co-culture, carbon mineralization, production of high concentrations of cellulase and laccase enzymes with the ability to degrade fibrous substrates. The isolation, identification, characterization, and conservation of these microorganisms became fundamental links in obtaining agricultural products through biotechnology way for subsequent use in livestock or in the bioindustry (Vázquez et al. 2022Vázquez, M.A., Valiño, E.C., Torta, L, Laudicina, A., Sardina, M.T. & Mirabile, G. 2022. Potencialidades del consorcio microbiano Curvularia kusanoi -Trichoderma pleuroticola como pretratamiento biológico para la degradación de fuentes fibrosas. Revista MVZ Córdoba, 27(2): e2559, ISSN: 0122-0298. https://doi.org/10.21897/rmvz.2559. ).

Fungal evaluations and their enzymatic activity in fibrous sources for productive interest species

The use of lignocellulosic biomass in animal feeding is presented as an important solution to the lack of food for livestock. Rising prices for cereals and other dietary components create a need to seek more economical alternatives that provide a food product with adequate nutritional value. In lignocellulosic biomass, several agro-industrial residues have a chemical and physical composition that allows their use with satisfactory results in this field. Many of them are used in the production of animal food, such as ruminants, poultry, pigs, among other species of economic interest (Plouhinec et al. 2023Plouhinec, L, Neugnot, V., Lafond, M. & Berrin, J.G. 2023. Carbohydrate-active enzymes in animal feed. Biotechnology Advances, 65: 108145, ISSN: 1873-1899. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108145. ). Table 4 summarizes the biotechnological potential of different fibrous sources biotransformed with cellulase and laccase enzymes from lignocellulolytic fungi and supplied to different species of monogastric animals in Cuba.

The use of whole dolicho forage meal, fermented with the strains T. viride 137 MCX1 and T. viride M5-2 at 10 % in broilers feeding, does not modify the final live weight and body composition (Martínez et al. 2016Martínez, M., Díaz, M.F., Hernández, Y., Sarmiento M., Sarduy, L. & Sierra, F. 2016. Diferentes fuentes alternativas de alimentos para aves con la intención de contribuir a la soberanía alimentaria local. Congreso Internacional Agrodesarrollo. ISSN: 978-959-7138-23-5.). However, it reduces abdominal fat content and has an effect on the apparent fecal retention of different nutrients and on the animal's cecum. Both strains had a similar performance for the mentioned indicators (Savón et al. 2014Savón, L., Valiño, E.C., Bell, R. & Hernández, Y. 2014. Dynamics of the physical properties and the fiber fractioning of the meal of dolic integral forage (Lablab purpureus), biotransformed with Trichoderma viride for feeding monogastrics. Cuban Journal of Agricultural Science, 48(2): 145-147, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/473.). Solid-state fermentation with the mutant strains T. viride 137 MCX1 and T. viride M5-2 makes possible to improve the nutritional value and reduced fiber content. In addition, it reduced the content of antinutritional factors in creeping legume species, as tested in broilers with the following results: with the inclusion of 10 % in the diet, 30 % of flavonoids decreased, and lengthening of the intestinal villi at the level of the duodenum was observed, decreased the apparent digestibility of dry matter and crude protein, increased the bursa of Fabricius and decreased the polyphenol content (Scull et al. 2018Scull, I., Savón, L., Spengler, I., Herrera, M. & González, V. 2018. Potentiality of the forage meal of Stizolobium niveum and Stizolobium aterrimum as a nutraceutical for animal feeding. Cuban Journal of Agricultural Science, 52(2): 223-234, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/802. ). In addition to being ideal substrates for obtaining high inoculant production without the use of other nitrogen or mineral sources, it allowed their production to obtain fibrolytic enzyme crudes in different substrates, as well as a new product different from the enzyme as an alternative food. According to Alberto et al. (2024)Alberto, M., Valiño, E.C., Savón, L. & Rodríguez, B. 2024. Nuevo pretratamiento enzimático de fuentes fibrosas destinadas a especies de interés productivo. XV Congreso Científico Agropecuario Internacional FCA Promega. Panamá. , laccase and cellulase enzymes from Curvularia kusanoi, and the consortium C. kusanoi, T. pleurotica and T. viride M5-2, native and induced, modified the lignin structure of raw wheat straw, improved the nutritional quality and digestibility of sugarcane bagasse and increased the in vivo digestibility of sugarcane bagasse in diets for birds and rabbits. At the same time, they constituted an alternative for pretreatment of fibrous sources for animal production.

Final considerations

Lignocellulosic biomass has been considered an important source with great potential for the sustainable production of biofuels and bioproducts. However, the economic viability of these processes depends on the efficient conversion of structural polysaccharides into fermentable oligosaccharides and monomeric sugars. To achieve this, it is necessary to have high-yielding strains, develop technologies for using enzyme cocktails or inducers, which can come from different lignocellulolytic organisms, and optimize these processes to improve agricultural waste for animal production. The use of appropriate enzymes in monogastric nutrition allowed reducing corn intake, as the most important component of feed, resulting in considerable savings for farmers and improved diets use. Although studies must be conducted to determine the inclusion levels of the raw extracts obtained from these productions, nutritionists knowledgeable in the subject see as an advantage not only the improvement in feed conversion, but also in digestibility and other factors caused by the high fiber content, which would have great benefits: the use of crude extracts for their added value in enzymes for different industries, as well as the improvement of conventional foods. The production of fibrolytic enzyme extracts for other industrial sectors would also ensure benefits in the quality of products obtained in the Cuban textile, paper, leather, pharmaceutical, and animal food markets. For this reason, the development of strategies for the production of lignocellulolytic enzymes will improve the digestibility and nutritional quality of alternative sources, thereby in a sustainable and ecological way; they can achieve more efficient agricultural production.

Introducción

La necesidad cada vez más creciente de alcanzar en el trópico una producción animal de especies monogástricas eficiente y con bajos costos (Korver 2023Korver, D.R. 2023. Review: Current challenges in poultry nutrition, health, and welfare. Animal, 17(2): 100755, ISSN: 1751-7311. https://doi.org/10.1016/j.animal.2023.100755. y Wlazlak et al. 2023Wlazlak, S., Pietrzak, E., Biesek, J. & Dunislawska, A. 2023. Modulation of the immune system of chickens a key factor in maintaining poultry production-a review. Poultry Science, 102(8): 102785, ISSN: 1525-3571. https://doi.org/10.1016/j.psj.2023.102785. ) condiciona la selección de materias primas alternativas con una biodisponibilidad aceptable, y que compita lo menos posible con la alimentación del hombre. Los coproductos agrícolas se han convertido en componentes importantes de la economía circular con su uso en la alimentación animal (Plouhinec et al. 2023Plouhinec, L, Neugnot, V., Lafond, M. & Berrin, J.G. 2023. Carbohydrate-active enzymes in animal feed. Biotechnology Advances, 65: 108145, ISSN: 1873-1899. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108145. ). Una de las vías para su implementación fue la utilización de microorganismos productores de enzimas exógenas, capaces del mejoramiento del valor nutritivo, la reducción del contenido de fibra y de factores antinutricionales.

Los hongos lignocelulolíticos son microorganismos aptos para desarrollar procesos de bioconversión mediante fermentación en estado sólido (FES), debido a su capacidad para crecer en sustratos con bajo contenido de agua (Zwinkels et al. 2023Zwinkels, J., Wolkers, R. J. & Smid, E.J. 2023. Solid-state fungal fermentation transforms low-quality plant-based foods into products with improved protein quality LWT Food. Science and Technology, 184: 114979, ISSN: 1096-1127. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2023.114979. ). Las nuevas aplicaciones de FES fúngicas han ganado gran interés en las últimas décadas para producir compuestos orgánicos valiosos, así como para valorizar diferentes desechos y descartes agroalimentarios. Se reduce así su impacto ambiental (Cebrián e Ibarruri 2023Cebrián, M. & Ibarruri, J. 2023. Filamentous fungi processing by solid-state fermentation. Filamentous Fungi Biorefinery. In book: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. pp: 251-292, ISBN: 978-0-323-91872-5. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91872-5.00003-X. ).

La gama de productos industriales que se pueden obtener a través de la FES fúngica incluye enzimas, ácidos orgánicos, biocombustibles y varios compuestos activos y otros como antibióticos, pigmentos o agentes de control biológico, con aplicaciones en alimentos, piensos, productos farmacéuticos, cosméticos, biocombustibles o sectores agronómicos (Boondaeng et al. 2024Boondaeng, A., Keabpimai, J., Trakunjae, C., Vaithanomsat, P., Srichola, P. & Niyomvong, N. 2024. Cellulase production under solid-state fermentation by Aspergillus sp. IN5: Parameter optimization and application. Heliyon, 10(5): e26601, ISSN: 2405-8440. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26601. ). La FES presenta varias ventajas entre ellas menos requisitos de energía y mayor productividad. Sin embargo, varios aspectos operativos permanecen sin una solución técnica efectiva, por lo que solo unos pocos compuestos se implementan industrialmente (Kuhad et al. 2016Kuhad, R.C., Deswal, D., Sharma S., Bhattacharya A., Jain, K.K., Kaur A., Pletschke B.I., Singh A. & Karp M. 2016. Revisiting cellulase production and redefining current strategies based on major challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55(C): 249-272, ISSN: 1879-0690. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.132. ).

La bioconversión de sustratos fibrosos de diferente naturaleza tiene como punto crítico el acceso a la matriz polisacarídica. Este aspecto depende, en gran medida, de la composición de la fibra y, en especial, del contenido de celulosa y lignina (Saldarriaga-Hernández et al. 2020Saldarriaga-Hernández, S., Velasco, C, Flores, P., Rostro, M., Parra, R., Iqbal, H. & Carrillo, D. 2020. Biotransformation of lignocellulosic biomass into industrially relevant products with the aid of fungi-derived lignocellulolytic enzymes. International Journal of Biological Macromolecules, 161: 1099-1116, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.047. ). La complejidad estructural de la fibra, así como su estrecha asociación y entrecruzamiento químico las convierten en biomoléculas de carácter recalcitrante.

Las enzimas que modifican la celulosa tienen la capacidad de hidrolizar los enlaces β-1,4-glucosídicos a productos de bajo peso molecular, incluidas hexosas y pentosas. Su compleja organización consta de tres componentes principales: endo-β-glucanasa, exo-β-glucanasa y las β-glucosidasa. Las etapas secuenciales de la celulolisis requieren de una secuencia sinérgica de eventos (Singh et al. 2021Singh, A., Bajar, S., Devi, A. & Pantc, D. 2021. An overview on the recent developments in fungal cellulase production and their industrial applications. Bioresource Technology Reports, 14: 100652, ISSN: 2589-014x. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100652. ). Sin embargo, las enzimas que modifican la lignina son de tipo oxidativo, inespecíficas, y actúan mediante mediadores no-proteicos (Dias et al. 2022Dias, M.C., Belgacem, M.N., de Resende, J.V., Martins M.A., Damásio, R.A.P., Tonoli, G.H.D. & Ferreira, S.R. 2022. Eco-friendly laccase and cellulase enzymes pretreatment for optimized production of high content lignin-cellulose nanofibrils. International Journal of Biological Macromolecules, 209(Pt A): 413-425, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.04.005. ). Entre las principales enzimas ligninolíticas, las lacasas (oxidorreductasas capaces de degradar las unidades fenólicas y aromáticas de la lignina con la reducción del oxígeno molecular a agua) son las de mayor aplicación industrial (Coêlho et al. 2021Coêlho, M., Câmara J.R., Santos, F.A., Ramos, J.G., de Vasconcelos, S.M., Soares, T.C., de Melo, S.F., Machado, D.A. & Campos, L.T. 2021. Use of agroindustrial wastes for the production of cellulases by Penicillium sp. FSDE15. Journal of King Saud University - Science, 33(16): 101553, ISSN: 1018-3647. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101553.). Por esta razón, el diseño de estrategias para la producción de enzimas lignocelulolíticas permitirá mejorar la digestibilidad y la calidad nutritiva de fuentes alternativas para que, de una forma sostenible y ecológica, se puedan lograr producciones agropecuarias más eficientes. Esta reseña aborda, fundamentalmente, los aspectos relacionados con los hongos lignocelulolíticos, sus enzimas y su potencial biotecnológico en Cuba.

Estructura de la pared celular y composición del material lignocelulósico

Las características, composición y estructura de las paredes celulares vegetales se describen por diferentes autores en la literatura internacional. Según Quiroz y Folch-Mallol (2011)Quiroz, R.E. & Folch-Mallol, J.L. 2011. Plant cell wall degrading and remodeling proteins: current perspectives. Biotecnología Aplicada, 28(4): 205-215, ISSN: 1027-2852. http://scielo.sld.cu/pdf/bta/v28n4/bta01411.pdf. , la estructura de la pared celular es responsable de la resistencia a la tensión, así como de dar forma a la célula y conferirle resistencia contra agentes patógenos. Es una estructura altamente organizada, formada por celulosa, hemicelulosa y el polímero fenólico lignina. La composición y porcentajes varían entre las especies de plantas, según la edad, el tejido y la etapa de crecimiento (Zhang y Lynd 2004Zhang, Y.H. & Lynd, L.R. 2004. Toward an aggregated understanding of enzymatic hydrolysis of cellulose: noncomplexed cellulase systems. Biotechnology and Bioengineering, 88(7): 797-824, ISSN: 1097-0290. https://doi.org/10.1002/bit.20282. ).

Celulosa: Es el principal componente de la pared celular de las plantas. Es el polímero más abundante en la naturaleza: constituye 50 % de su peso seco. Según el grado de polimerización, puede tener de 2000 a 25 000 unidades de glucosa. Está compuesta por monómeros de D-glucosa, unidos por enlaces β-1,4 glucosídicos que forman las moléculas de celobiosa. La configuración del enlace β glucosídico forman una estructura cristalina. Las regiones cristalinas están separadas por celulosa amorfa. La celulosa está entrelazada, con la hemicelulosa y la lignina, y forman una estructura altamente resistente a la degradación, por lo que muy pocos microorganismos pueden hidrolizarla (Kameshwar y Qin 2016Kameshwar, A.K. & Qin, W. 2016. Recent developments in using advanced sequencing Technologies for the genomic studies of lignin and cellulose degrading microorganisms. International Journal Biological Science, 12(2): 156-171, ISSN: 1449-2288. https://doi.org/10.7150/ijbs.13537. ).

Hemicelulosa: Es un polímero complejo de heteropolisacáridos, formado por pentosas (D-xilosa y L-arabinosa) y hexosas (D-glucosa, D-manosa y D-galactosa), que forman cadenas ramificadas, además de los azúcares ácidos 4-O-metilglucurónico, D-galacturónico y D-glucurónico, unidos por enlaces glucosídicos β-1,4 y otros por enlaces β-1,3. Posee ramificaciones formadas por los azúcares (xilanos, xiloglucanos, mananos, glucomananos y glucanos). El xilano constituye más del 70 % de la composición de la hemicelulosa. Es el más abundante y está formado por enlaces β-1,4 de unidades de D-xilosa. Actúa como conexión entre la lignina y la celulosa a través de enlaces del tipo éster, y con la celulosa por puentes de hidrógeno (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ).

Lignina: Es un polímero altamente resistente a la degradación química y biológica. Son pocos los organismos que pueden mineralizar la hidrólisis de los polisacáridos que protege. Forma parte de la pared celular, como soporte estructural e impermeabilidad. Estructuralmente, es un heteropolímero irregular, insoluble y ramificado, formado por tres alcoholes aromáticos del tipo fenilpropano: alcohol coumarílico, coniferílico y sinapílico, unidos por enlaces C-C y enlaces éter entre los anillos aromáticos. La lignina es el componente más difícil de degradar del material lignocelulósico (Saldarriaga-Hernández et al. 2020Saldarriaga-Hernández, S., Velasco, C, Flores, P., Rostro, M., Parra, R., Iqbal, H. & Carrillo, D. 2020. Biotransformation of lignocellulosic biomass into industrially relevant products with the aid of fungi-derived lignocellulolytic enzymes. International Journal of Biological Macromolecules, 161: 1099-1116, ISSN: 1879-0003. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.047. ).

Principales enzimas glucolíticas que participan en la degradación de la lignocelulosa

Las celulasas son O-glucósido hidrolasas que hidrolizan el enlace β-1,4 de la celulosa. Se caracterizan por su estructura modular: catalítico, péptido de unión y de unión a celulosa. Se clasifican de acuerdo con su actividad enzimática: endoglucanasas, exoglucanasas y β-glucosidasas (Escuder et al. 2018Escuder, J.J., De Castro, M.E., Cerdán, M.E., Rodríguez, E., Becerra, M. & González, M. I., 2018. Cellulases from thermophiles found by metagenomics. Microorganisms, 6(3): 66-73, ISSN: 2076-2607. https://doi.org/10.3390/m0119e15. ).

Las endoglucanasas (EC 3.2.1.4; 1,4-β-D-glucano-4-glucanohidrolasa) son enzimas monoméricas, cuya masa molecular oscila entre los 22 y la 45 kDa. Estas enzimas inician el ataque de las regiones amorfas de la fibra de celulosa, luego la acción de las celobiohidrolasas en los extremos reductor y no reductor. Las endoglucanasas no están glicosiladas; pero pueden contener una cantidad relativamente baja de carbohidratos (de 1 a 12 %). El pH óptimo es entre 4 y 5. La temperatura óptima oscila entre 50 y 70 °C.

Las exoglucanasas o celobiohidrolasas (EC 3.2.1.74; 1,4-β-D-glucano-glucanohidrolasa y EC 3.2.1.91; 1,4-β-D-glucano-celobiohidrolasa) actúan en los extremos reductor y no reductor de las cadenas de celulosa, liberan celobiosa. Estas enzimas representan de 40 a 70 % del componente total del sistema, y pueden hidrolizar la celulosa cristalina. Son enzimas con una masa molecular entre los 50 y los 65 kDa. Su glicosilación es muy baja (menor que 12 %), el pH óptimo es entre 4 y 5, y su temperatura óptima es de 37 a 60 °C.

Las β-glucosidasas pesan entre 35 y 640 kDa, mayormente están glicosiladas. Tienen un pH óptimo entre 3.5 y 5.5 y una temperatura óptima entre 45 y 75 °C. Los sistemas enzimáticos de celulasas actúan en sinergia. Aunque el sinergismo entre los distintos componentes del complejo celulasa aún no está completamente elucidado, está claro que depende de diferentes factores, como la naturaleza del sustrato, la afinidad del componente celulasa por el sustrato, la estereo-especificidad de dicho componente, la concentración de la enzima y la proporción entre los componentes enzimáticos (Zhao et al. 2019Zhao, C., Xie, B., Zhao, R. & Fang, H. 2019. Microbial oil production by Mortierella isabellina from sodium hydroxide pretreated rice straw degraded by three-stage enzymatic hydrolysis in the context of on-site cellulase production. Renewable Energy, 130(C): 281-289, ISSN: 1879-0682. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.06.080. ).

Las hemicelulasas son glicósido hidrolasas; pero algunas pueden ser carbohidrato esterasas. Las xilanasas son las principales enzimas que participan en la degradación de la hemicelulosa. En este grupo, se encuentran las endoxilanasas (EC 3.2.1.8; endo-1,4-β-D-xilanasas) y las β-xilosidasas (EC 3.2.1.37; xilano 1,4-β-xilosidasa). Además, requieren enzimas accesorias, como xilano esterasas, ferúlico y coumárico esterasas, α-arabinofuranosidasas y α-4-metil glucuronosidasas, entre otras, que actúan de manera sinérgica (Hu et al. 2013Hu, J., Arantes, V., Pribowo, A. & Saddler, J.N. 2013. The synergistic action of accessory enzymes enhances the hydrolytic potential of a “cellulase mixture” but is highly substrate specific. Biotechnology for biofuels, 6(112): 1-12, ISSN: 2731-3654. https://doi.org/10.1186/1754-6834-6-112. ).

La despolimerización de la lignina involucra enzimas oxidativas extracelulares, que liberan productos altamente inestables y que posteriormente experimentan reacciones de oxidación, las peroxidasas y lacasas (Viswanath et al. 2014Viswanath, B., Rajesh, B., Janardhan, A., Kumar, A. P. & Narasimha, G. 2014. Fungal laccases and their applications in bioremediation. Enzyme Research, 2014: 163242, ISSN: 2090-0414. http://doi.org/10.1155/2014/163242. ). Entre las peroxidasas están la lignino peroxidasa (LiP; EC 1.11.1.14) y la peroxidasa, dependiente de manganeso (MnP; EC 1.11.1.13), son enzimas oxidorreductasas. La lignino peroxidasa es una glicoproteína que puede oxidar los compuestos fenólicos y no fenólicos, las aminas, los éteres aromáticos y los aromáticos policíclicos y es la más efectiva. La peroxidasa, dependiente de manganeso, utiliza el manganeso como sustrato y lo oxida de Mn²⁺ a Mn³⁺ y actúa como oxidante de los compuestos de la lignina. En otros estudios, se encontró un tercer tipo la peroxidasa versátil que combina ambas actividades.

Las lacasas (p-difenol oxígeno-óxidoreductasas; EC 1.10.3.1) son enzimas polifenoloxidasas. Presentan cuatro iones de cobre en su centro activo y catalizan la oxidación de compuestos fenólicos mediante la reducción del oxígeno molecular a agua, lo que genera compuestos insolubles de fácil recuperación. Catalizan además, la oxidación de muchos compuestos fenólicos y no fenólicos en presencia de mediadores (Brink et al. 2019Brink, D.P., Ravi, K., Lidén, G. & Gorwa, M.F. 2019. Mapping the diversity of microbial lignin catabolism: experiences from the eLignin database. Applied Microbiology and Biotechnology, 103(10): 3979-4002, ISSN: 1432-0614. https://doi.org/10.1007/s00253-019-09692-4. ).

Hongos productores de enzimas celulolíticas

Las enzimas celulolíticas son un complejo que cataliza la conversión progresiva de la celulosa. Los mecanismos catalíticos de este complejo enzimático se desarrollan de forma sinérgica, lo que garantiza la eficiencia de la bioconversión. Los hongos celulolíticos producen estas enzimas en condiciones de déficit de fuentes alternativas de carbono de mayor degradabilidad y absorción y de otras fuentes de nitrógeno, también ricas en energía metabolizable y proveedores de cadenas carbonadas. Esta característica se debe al estricto control por represión catabólica a que están sometidos los genes de las celulasas (Beier et al. 2022Beier, S., Stiegler, M., Hitzenhammer, E. & Schmoll, M. 2022. Screening for genes F in cellulase regulation by expression under the control of a novel constitutive promoter in Trichoderma reesei. Current Research in Biotechnology, 4(12): 238-246, ISSN: 2599-2628. https://doi.org/10.1016/j.crbiot.2022.04.001. ). Estos microorganismos en tales condiciones utilizan las enzimas para desprender del sustrato sólido, los azúcares simples, y emplearlos como fuente carbonada (Singh et al. 2021Singh, A., Bajar, S., Devi, A. & Pantc, D. 2021. An overview on the recent developments in fungal cellulase production and their industrial applications. Bioresource Technology Reports, 14: 100652, ISSN: 2589-014x. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100652. ).

Existen actividades complementarias entre los tipos de enzimas que poseen y se consideran las responsables del sinergismo, dado que la acción de dos o más enzimas combinadas es mayor que la suma de las actividades individuales en la degradación (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ). Puede ocurrir sinergismo entre y dentro de las diferentes clases de enzimas celulolíticas. Aunque el sinergismo entre los distintos componentes del complejo celulasa aún no está completamente elucidado, está claro que depende de diferentes factores, como la naturaleza del sustrato, la afinidad por el sustrato, la estereo-especificidad, la concentración de la enzima y la proporción entre los componentes enzimáticos (Saidi et al. 2024Saidi, Al., S.M.K., Al-Kharousi, Z.S.N., Rahman, M.S., Sivakumar, N., Suleria, A.H., Ashokkumar, Husain, M. & Al-Habsi, N. 2024. Thermal and structural characteristics of date-pits as digested by Trichoderma reesei. Heliyon, 10: e28313, ISSN: 2405-8440. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e2831.). Además, el desempeño de las mezclas de celulasas en los procesos de conversión de biomasa depende de varias de sus propiedades, incluida la estabilidad, la inhibición del producto, la especificidad, la sinergia entre las diferentes enzimas, la unión productiva a la celulosa, las características físicas y la composición de la biomasa celulósica (Sajith et al. 2016Sajith, S., Priji, P., Sreedevi, S. & Benjamin, S., 2016. An overview on fungal cellulases with an industrial perspective. Journal of Nutrition & Food Sciences, 6(1): 461, ISSN: 2155-9680. https://doi.org/10.4172/2155-9600.1000461. ).

Los géneros de hongos más utilizados en la biodegradación de la biomasa lignocelulolíticas son Trichoderma, Aspergillus y Penicillium, correspondiendo a más de 50 % de los estudios relacionados con celulasas, su uso de forma más productiva está condicionado al uso de mezclas enzimáticas altamente eficientes (Passos et al. 2018Passos, D.F., Pereira Jr., N. & Castro, A.M. 2018. A comparative review of recent advances in cellulases production by Aspergillus, Penicillium and Trichoderma strains and their use for lignocellulose deconstruction. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 14: 60-66, ISSN: 2452-2236. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2018.06.003. ). En la literatura científica disponible se muestran diferentes tipos de géneros y especies, involucrados en la producción de enzimas celulasas (tabla 1). La mayoría de estos estudios solo toman en cuenta ensayos in vitro para demostrar sus potencialidades enzimáticas.

Las enzimas ligninolíticas se producen por un gran número de hongos que pertenecen a la división Ascomycota y Basidiomycota (de Oliveira Rodrigues et al. 2020de Oliveira Rodrigues, P., Gurgel, L.V.A., Pasquini, D., Badotti, F., Góes-Neto, A. & Baffi, M.A. 2020. Lignocellulose-degrading enzymes production by solid-state fermentation through fungal consortium among Ascomycetes and Basidiomycetes. Renewable Energy, 145(C): 2683-2693, ISSN: 1879-0682. https://doi.org/10.1016/j.renewe.2019.08.041.). La mayoría de los hongos ligninolíticos pertenece al grupo Basidiomicetes, microorganismos más eficientes en degradar totalmente la lignina. Estos hongos secretan varias enzimas extracelulares que son esenciales para la transformación inicial de la lignina y que en conjunto logran su mineralización (Iram et al. 2021Iram, A., Cekmecelioglu, D. & Demirci, A. 2021. Ideal Feedstock and Fermentation Process Improvements for the Production of Lignocellulolytic Enzymes. Processes, 9(1): 38, ISSN: 2227-9717. https://doi.org/10.3390/pr9010038. ). Las lacasas son de las enzimas que más se discuten en los trabajos científicos, de ahí que se particularice en las características de los hongos productores de estas proteínas. Sin embargo, los hongos pertenecientes a la división Ascomycota son microorganismos descomponedores con repertorios versátiles de enzimas extracelulares e intracelulares con alto potencial para la despolimerización de lignina (Jain et al. 2017Jain, K.K., Kumar, S., Deswal, D. & Kuhad, R.C. 2017. Improved production of thermostable cellulase from Thermoascus aurantiacus RCKK by fermentation bioprocessing and its application in the hydrolysis of office waste paper, algal pulp, and biologically treated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnology, 181(2): 784-800, ISSN: 1559-0291. https://doi.org/10.1007/s12010-016-2249-7. ). Los estudios acerca de la producción de enzimas ligninolíticas en las diferentes especies que comprende la división Ascomycota son recientes, por lo que su aplicación en los diferentes campos de la biotecnología apenas se considera. Pese a ello, se encuentran varios reportes en la literatura científica que discuten acerca de las producciones enzimáticas de estos microorganismos, principalmente sobre la producción de enzimas lacasas (Pérez-Grisales et al. 2019 Pérez-Grisales, M.S., Castrillón-Tobón, M., Copete-Pertuz, L.S., Plácido, J. & Mora-Martínez, A.L. 2019. Biotransformation of the antibiotic agent cephadroxyl and the synthetic dye Reactive Black 5 by Leptosphaerulina sp. immobilised on Luffa (Luffa cylindrica) sponge. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 18: 101051, ISSN: 1878-8181. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101051.).

Hongos productores de enzimas ligninolíticas

Los hongos productores de lacasas pueden secretar diferentes isoformas de la proteína. El número de isoenzimas depende de cada especie y su expresión depende de los componentes del cultivo, la presencia de inductores específicos y las condiciones de crecimiento. Las características de estabilidad, pH, temperatura óptima y afinidad por los diferentes sustratos puede diferir considerablemente entre las isoenzimas (Xie y Liu 2024Xie, J. & Liu, S. 2024. Kinetic understanding of fiber surface lignin effects on cellulase adsorption and hydrolysis. Results in Surfaces and Interfaces, 14: 100185, ISSN: 2666-8459. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100185. ).

Las lacasas que se obtienen a partir de hongos ligninolíticos presentan gran aplicación, debido a su facilidad de separación, purificación y producción en biorreactores (Hernández et al. 2019Hernández, D.J.M., Ferrera, C.R. & Alarcón, A. 2019. Trichoderma: importancia agrícola, biotecnológica, y sistemas de fermentación para producir biomasa y enzimas de interés industrial. Chilean Journal of Agricultural & Animal Sciences, 35(1): 98-112, ISSN: 0719-3890. https://dx.doi.org/10.4067/S0719-38902019005000205. y Liu et al. 2022Liu, W., Zhao, M., Li, M., Li, X., Zhang, T., Chen, X, Yan, X.Y., Bian, L.S., An, Q., Li, W. & Han, M. 2022. Laccase activities from three white-rot fungal species isolated from their native habitat in North China using solid-state fermentation with lignocellulosic biomass. BioResources, 17(1): 1533-1550, ISSN: 1930-2126. https://doi.org/10.15376/biores.17.1.1533-1550. ), lo que permite su producción a gran escala. Las lacasas provenientes de estos hongos presentan un potencial redox mayor (hasta 0,8 V) que las lacasas vegetales y bacterianas (0,4-0,5 V), razón por la cual tienen mayores aplicaciones biotecnológicas (Osma et al. 2014Osma, J.F., Toca, J. L. & Rodríguez, S. 2014. Cost analysis in laccase production. Journal of Environmental Management, 92(11): 2907-2912, ISSN: 1095-8630. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2011.06.052.). Sin embargo, la aplicación de las lacasas a nivel comercial es limitada a causa de que estas enzimas se producen en pequeñas cantidades. Esta problemática es la causa fundamental que condiciona el incremento de los estudios de nuevas cepas productoras de lacasas, así como de métodos más eficientes para su obtención y purificación, que garanticen una adecuada cantidad, especificidad y actividad catalítica (Xie y Liu 2024Xie, J. & Liu, S. 2024. Kinetic understanding of fiber surface lignin effects on cellulase adsorption and hydrolysis. Results in Surfaces and Interfaces, 14: 100185, ISSN: 2666-8459. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100185. ).

Dada la elevada complejidad estructural de la lignina (Reid 1995Reid, I. D. 1995. Biodegradation of lignin. Canadian Journal of Botany, 73(S1): 1011-1018. ISSN: 0008-4026. https://doi.org/10.1139/b95-351.), los mecanismos naturales que efectúan su degradación son enzimas que no reconocen el sustrato de forma esteroespecíficas, pero que permiten la formación de agentes oxidantes capaces de reaccionar con los anillos aromáticos de los residuos de fenilpropano y con las cadenas carbonadas enlazadas a estos anillos, que desencadenan reacciones de oxidación que proceden a través de radicales libres. Las cadenas alifáticas, obtenidas posteriormente, se degradan hasta dióxido de carbono y agua por parte de algunos microorganismos. En otros organismos lo que ocurre es la despolimerización de las unidades. La cooperación entre enzimas diversas y sus mecanismos precisos de regulación se hacen evidentes cuando se puntualiza que la degradación de lignina in vitro no ha podido realizarse (Cullen 1997Cullen, D. 1997. Recent advances on the molecular genetics of ligninolytic fungi. Journal of Biotechnology, 53(2-3): 273-289, ISSN: 1873-4863. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(97)01684-2. ). En la tabla 2 se presentan diferentes tipos de géneros y especies de hongos involucrados en la producción de enzimas ligninolíticas en biomasa lignocelulósica.

Potencial biotecnológico en Cuba

En las últimas décadas, se realizaron en Cuba investigaciones encaminadas al incremento del valor biológico de los residuos de la industria azucarera a partir de la inoculación de hongos filamentosos por los grupos de investigación de la Universidad de La Habana (UH), Instituto Cubano de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), Universidad Tecnológica de La Habana (Cujae) y el Instituto de Ciencia Animal (ICA). Estas últimas instituciones concentraron sus esfuerzos en la búsqueda de nuevos microorganismos con fines productivos.

El ICA cuenta con colecciones de microorganismos con potencialidades de uso en la alimentación animal. Uno de ellos, referente a cepas mutantes lignocelulolíticas de hongos para la acción enzimática en sustratos altamente fibrosos, como el bagazo de caña de azúcar (Sosa et al. 2017Sosa, A., González, N., García, Y., Marrero, Y., Valiño, E.C., Galindo, J., Sosa, D., Alberto, M., Roque, D., Albelo, N, Colomina, L. & Moreira, O. 2017. Collection of microorganisms with potential as additives for animal nutrition at the Institute of Animal Science. Cuban Journal of Agricultural Science, 51(3): 311-319, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/759. ), y el otro de cepas de hongos, con producción de enzimas β glucosidasas, perteneciente al ICIDCA y a la Cujae (Dustet e Izquierdo 2004Dustet, J.C. & Izquierdo, E. 2004. Aplicación de balances de masa y energía al proceso de fermentación en estado sólido de bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger. Biotecnología Aplicada, 21: 85-91, ISSN: 1027-2852. https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/85907663/BA002102OL085-091-libre.pdf?1652465375. ). Las cepas se identificaron molecularmente y sus secuencias de nucleótidos se registraron en el Genbank. En la tabla 3, se muestra la actividad degradativa de estos microorganismos en diferentes sustratos fibrosos utilizados en la alimentación animal.

Las cepas mutantes del ICA pertenecen a las especies Trichoderma viride, Penicilium implicatum y Aspergillus fumigatus, productoras de enzimas endo, exo β1-4 glucosidasa y β glucosidasa. Estas cepas son resistentes a represión catabólica con actividad hidrolítica sobre bagazo de caña de azúcar, mediante sistema de fermentación en estado sólido, con potencial para la sacarificación de otras gramíneas. Las cepas de Aspergillus (J-1, 6, 21, 27) y Neurospora (E623), perteneciente a la Cujae y al ICIDCA, se identificaron como A. niger, A. fumigatus y N. crassa. Estas son eficientes también en el proceso de sacarificación y fermentación simultánea del bagazo, pero con una producción β-glucosidasa superior a las mutantes. Por lo que pudieran utilizarse en sinergia con cocteles de crudos enzimáticos o de microorganismos (Menéndez et al. 2015Menéndez, Z., Dustet, J., Sevilla, I., Zumalacárregui, L. & Martí, M. 2015. Aplicación de crudos enzimáticos de origen fúngico en la hidrólisis del bagazo de caña de azúcar. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 49(3): 9-10, ISSN: 0138-6204. https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223144218002.). Aquí actúan las principales enzimas del primer grupo endo, exo β1-4 glucosidasa, β glucosidasa y un segundo grupo endo xilanasa y β xilosidasa, que rinden glucosa y xilosa respectivamente, así como las accesorias: α arbinofuranosidasa, endo-mananasas, pectinasas, pectato liasa, α y β galactosidasa, que rinden arabinosa, manosa, ácido galacturónico y galactosa respectivamente, las cuales no se encuentran cuantificadas. Sin embargo, se comprobó por electroforesis sobre gel de poliacrilamida, que las enzimas principales presentan bandas bien definidas entre los 25 y 66 kDa, comparados con los patrones comerciales de la NOVOZYMES (Valiño et al. 2020Valiño, E.C., Alberto, M., Dustet, J.C. & Albelo, N. 2020. Production of lignocellulases enzymes from Trichoderma viride M5-2 in wheat bran (Triticum aestivum) and purification of their laccases. Cuban Journal of Agricultural Science, 54(1): 53-64, ISSN: 2079-3480. https://cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/946. ).

Las enzimas de estas cepas fúngicas, demostraron también producir una serie de cambios positivos en el contenido de nutrientes de las leguminosas (Canavalia ensiformis, Lablab purpureus, Vigna unguiculata y Mucuna prurien) a través de la fermentación en estado sólido de las harinas de granos (Valiño et al. 2015Valiño, E., Savón, L., Elías, A., Rodríguez, M. & Albelo, N. 2015. Nutritive value improvement of seasonal legumes Vigna unguiculata, Canavalia ensiformis, Stizolobium niveum, Lablab purpureus, through processing their grains with Trichoderma viride M5-2. Cuban Journal of Agricultural Science, 49(1): 81-89, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/552. ) y de las harinas de follaje (Savón et al. 2014Savón, L., Valiño, E.C., Bell, R. & Hernández, Y. 2014. Dynamics of the physical properties and the fiber fractioning of the meal of dolic integral forage (Lablab purpureus), biotransformed with Trichoderma viride for feeding monogastrics. Cuban Journal of Agricultural Science, 48(2): 145-147, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/473., Valiño et al. 2016Valiño, E.C., Dustet, J.C., Pérez, H., Brandão, L.R., Rosa, A.C. & Scull, I. 2016. Transformation of Stizolobium niveum with cellulolytics fungi strains as functional food. Academia Journal of Microbiology Research, 4(4): 62-71, ISSN: 2315-7771. https://doi.org/10.15413/ajmr.2015.0106. y Scull et al. 2018Scull, I., Savón, L., Spengler, I., Herrera, M. & González, V. 2018. Potentiality of the forage meal of Stizolobium niveum and Stizolobium aterrimum as a nutraceutical for animal feeding. Cuban Journal of Agricultural Science, 52(2): 223-234, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/802. ). Estos cambios fueron: incremento en el contenido de aminoácidos esenciales, proteínas solubles y digestibilidad in vitro de la materia seca; disminución significativa de los niveles de alfa galactósidos e inositoles penta y hexa- fosfatado; reducción de inhibidores de proteasas y lectinas, así como del grado de polimerización de los taninos. Se realizaron otros estudios para profundizar en el conocimiento de las características fisiológicas y bioquímicas de estas cepas de hongos, así como nuevas cepas fúngicas más eficientes.

Vázquez et al. (2019)Vázquez, M.A., Cabrera, E.C.V., Aceves, M.A. & Mallol, J.L.F. 2019. Cellulolytic and ligninolytic potential of new strains of fungi for the conversion of fibrous substrates. Biotechnology Research and Innovation, 3(1): 177-186, ISSN: 2452-0721. https://doi.org/10.1016/j.biori.2018.11.001. aislaron 35 cepas de hongos, de acuerdo con las características morfológicas propias de cada cultivo se caracterizaron hasta nivel genérico, lo cual permitió agruparlas en 11 géneros: Trichoderma, Curvularia, Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Neurospora, Hypoxylon, Cladosporium, Paecilomyces y Mucor. Los aislados de Trichoderma sp., Hypoxylon sp., Aspergillus fumigatus, Curvularia kusanoi y Curvularia lunata presentaron la mayor potencialidad lignocelulolítica. Las secuencias de nucleótidos de estas cepas se registraron en el Genbank. La cepa Curvularia kusanoi L7 desarrolló la mayor inducción de enzimas lacasas, con crecimiento en co-cultivo, mineralización del carbono, producción de altas concentraciones de enzimas celulasas y lacasas con la capacidad para degradar sustratos fibrosos. El aislamiento, identificación, caracterización y conservación de estos microorganismos se convirtieron en eslabones fundamentales para la obtención de productos agropecuarios por vía biotecnológica para su posterior uso en la ganadería o en la bioindustria (Vázquez et al. 2022Vázquez, M.A., Valiño, E.C., Torta, L, Laudicina, A., Sardina, M.T. & Mirabile, G. 2022. Potencialidades del consorcio microbiano Curvularia kusanoi -Trichoderma pleuroticola como pretratamiento biológico para la degradación de fuentes fibrosas. Revista MVZ Córdoba, 27(2): e2559, ISSN: 0122-0298. https://doi.org/10.21897/rmvz.2559. ).

Evaluaciones fúngicas y su actividad enzimática en fuentes fibrosas destinadas a especies de interés productivo

El aprovechamiento de la biomasa lignocelulósica en la alimentación animal se presenta como una solución importante al déficit de alimentos para el ganado. El aumento de los precios de los cereales y de otros componentes de las dietas crea la necesidad de buscar alternativas más económicas, que permitan obtener un producto alimenticio con valor nutricional adecuado. En la biomasa lignocelulósica, varios residuos agroindustriales presentan una composición química y física que permite su uso con resultados satisfactorios en este campo. Muchos de ellos se emplean en la producción de alimentos para animales, como los rumiantes, las aves, los cerdos, entre otras especies de interés económico (Plouhinec et al. 2023Plouhinec, L, Neugnot, V., Lafond, M. & Berrin, J.G. 2023. Carbohydrate-active enzymes in animal feed. Biotechnology Advances, 65: 108145, ISSN: 1873-1899. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108145. ). En la tabla 4, se resume el potencial biotecnológico de diferentes fuentes fibrosas biotransformadas con enzimas celulasas y lacasas de hongos lignocelulolíticos y suministrada a diferentes especies de animales monogástricos en Cuba.

El empleo de la harina de forraje integral de dólico, fermentada con las cepas T. viride 137 MCX1 y T. viride M5-2 al 10 % en la alimentación de pollos de ceba, no modifica el peso vivo final y la composición corporal (Martínez et al. 2016Martínez, M., Díaz, M.F., Hernández, Y., Sarmiento M., Sarduy, L. & Sierra, F. 2016. Diferentes fuentes alternativas de alimentos para aves con la intención de contribuir a la soberanía alimentaria local. Congreso Internacional Agrodesarrollo. ISSN: 978-959-7138-23-5.). Sin embargo, reduce el contenido de grasa abdominal y tiene efecto en las retenciones fecales aparentes de diferentes nutrientes y en los ciegos del animal. Ambas cepas tuvieron un comportamiento similar para los indicadores mencionados (Savón et al. 2014Savón, L., Valiño, E.C., Bell, R. & Hernández, Y. 2014. Dynamics of the physical properties and the fiber fractioning of the meal of dolic integral forage (Lablab purpureus), biotransformed with Trichoderma viride for feeding monogastrics. Cuban Journal of Agricultural Science, 48(2): 145-147, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/473.). La fermentación en estado sólido con las cepas mutantes T. viride 137 MCX1 y T. viride M5-2, posibilitó el mejoramiento del valor nutritivo y la reducción del contenido de fibra. Además, redujo el contenido de factores antinutricionales de especies de leguminosas rastreras, comprobado en pollos de ceba con los siguientes resultados: con la inclusión 10 % en la dieta disminuyó 30 % de los flavonoides, se observó alargamiento de las vellosidades intestinales a nivel del duodeno, disminuyó la digestibilidad aparente de la materia seca y proteína bruta, aumentó la bolsa de Fabricio y disminuyó el contenido de polifenoles (Scull et al. 2018Scull, I., Savón, L., Spengler, I., Herrera, M. & González, V. 2018. Potentiality of the forage meal of Stizolobium niveum and Stizolobium aterrimum as a nutraceutical for animal feeding. Cuban Journal of Agricultural Science, 52(2): 223-234, ISSN: 2079-3480. https://www.cjascience.com/index.php/CJAS/article/view/802. ). Además de ser sustratos idóneos para la obtención de altas producciones de inóculos, sin la utilización de otras fuentes de nitrógeno ni fuentes minerales, permitió su producción para la obtención de los crudos enzimáticos fibrolíticos en los distintos sustratos, así como un nuevo producto diferente al de la enzima como alimento alternativo. Según Alberto et al. (2024)Alberto, M., Valiño, E.C., Savón, L. & Rodríguez, B. 2024. Nuevo pretratamiento enzimático de fuentes fibrosas destinadas a especies de interés productivo. XV Congreso Científico Agropecuario Internacional FCA Promega. Panamá. , las enzimas lacasas y celulasas de Curvularia kusanoi, y el consorcio C. kusanoi, T. pleurotica y T. viride M5-2, nativas como inducidas, modificaron la estructura de la lignina de la paja de trigo cruda, mejoraron la calidad nutritiva y la digestibilidad del bagazo de caña de azúcar y aumentaron la digestibilidad in vivo del bagazo de caña de azúcar en dietas para aves y conejos. Al mismo tiempo que constituyeron una alternativa de pretratamiento de fuentes fibrosas para la producción animal.

Consideraciones finales

La biomasa lignocelulósica se ha considerado una fuente importante con gran potencial para la producción sustentable de biocombustibles y bioproductos. Sin embargo, la viabilidad económica de estos procesos depende de la conversión eficiente de los polisacáridos estructurales en oligosacáridos y azúcares monoméricos fermentables. Para lograrlo, es necesario contar con cepas altas productoras, desarrollar tecnologías de uso de cócteles o inductores enzimáticos, que pueden provenir de distintos organismos lignocelulolíticos, y que se puedan optimizar estos procesos en la mejora de los residuos agropecuarios para la producción animal. El uso de enzimas adecuadas en nutrición de monogástricos, permitió bajar el consumo de maíz como componente más importante en los piensos, por lo que se logró un considerable ahorro para el productor, además de un mejor aprovechamiento de las dietas. Aunque deben realizarse estudios para determinar los niveles de inclusión, de los extractos crudos obtenidos en estas producciones, los nutricionistas conocedores del tema ven como ventaja, no solo, la mejora en la conversión del alimento, sino en la digestibilidad y en otros factores causados por el alto contenido de fibra, lo que tendría grandes beneficios: la utilización de los extractos crudos por su valor agregado en enzimas para las diferentes industrias, así como la mejora en alimentos convencionales. La producción de extractos enzimáticos fibrolíticos para otros sectores industriales aseguraría también beneficios, en la calidad de los productos obtenidos en los mercados cubanos del textil, papelera, cuero, farmacéutica y para alimento animal. Por esta razón, el diseño de estrategias para la producción de enzimas lignocelulolíticas permitirá mejorar la digestibilidad y la calidad nutritiva de fuentes alternativas que de una forma sostenible y ecológica, puedan lograr producciones agropecuarias más eficientes.