Riassunto analitico
Negli ultimi anni all’interno del settore agro-alimentare è emersa la necessità di far fronte all’aumento dei sottoprodotti ottenuti durante la realizzazione degli alimenti immessi sul mercato. Tali sottoprodotti hanno un forte impatto ambientale ma, nella maggior parte dei casi, sono caratterizzati da elevate quantità di composti bioattivi e zuccheri fermentescibili, presentando perciò un ottimo potenziale per la realizzazione di prodotti, alimentari e non, riducendo gli effetti negativi sull’ecosistema. Uno dei sottoprodotti ad alto impatto ambientale è il siero di latte, ovvero il liquido derivante dalla precipitazione e rimozione della caseina del latte durante la caseificazione. Tale prodotto contiene vitamine del gruppo B e elevate concentrazioni di lattosio, uno zucchero fermentescibile principalmente da parte di batteri lattici. Il lattosio può essere degradato anche mediante un trattamento enzimatico ad opera dell’enzima β-galattosidasi che permette la sua scissione in galattosio e glucosio. In tale ottica risulta particolarmente interessante la possibilità di utilizzare i batteri acetici per la fermentazione del sottoprodotto appena citato, ottenendo così cellulosa batterica o una bevanda acida a basso o nullo contenuto di etanolo, a seconda del genere batterico scelto. Il presente lavoro di tesi è focalizzato sulla valorizzazione del siero di latte tramite l’utilizzo di 6 ceppi batterici appartenenti al genere Komagataeibacter, per la produzione di cellulosa batterica, e 3 ceppi appartenenti al genere Gluconobacter, nello specifico le specie Gluconobacter oxydans e G. frateurii, per la realizzazione di una bevanda gluconica. Questo lavoro di tesi rientra nell’ambito delle attività del progetto di ricerca “Risorse microbiche per applicazioni sostenibili – Batteri Acetici produttori di cellulosa in Unimore Microbial Culture Collection (BACELL)”, fondo di Ateneo per la ricerca Anno 2020. Inizialmente il lattosio del siero del latte è stato scisso in galattosio e glucosio tramite l’utilizzo dell’enzima β-galattosidasi, in quanto i batteri acetici mancano dei pathways biochimici necessari per l’utilizzo del lattosio come fonte di nutrimento. Successivamente, sono state effettuate 3 centrifugazioni al fine di separare il contenuto di grasso e, infine, il siero è stato sterilizzato a freddo tramite filtrazione con unità filtranti sottovuoto. Per la produzione di cellulosa batterica, il prodotto sterile è stato inoculato con i ceppi K1A18, K1G23, K2A8, K2G14, K2G30 e K2G39 ed incubato a 28°C per tre tempi di campionamento differenti (3, 6 e 9 giorni). Al termine di ogni tempo di campionamento, per ogni campione, è stata calcolata la resa in cellulosa batterica (g/L), la produzione di acido gluconico e la variazione di pH. Per la produzione della bevanda gluconica sono stati utilizzati i ceppi DSM 2343, DSM 3503T e DSM 7146T, i primi due appartenenti alla specie G. oxydans e l’ultimo alla specie G. frateurii. I campioni sono stati incubati a 28°C e per ognuno delle colture sono stati stabiliti quattro punti di campionamento (2, 4, 6 e 8 giorni). I campioni sono stati confrontati con una analisi PCA sulla base dei diversi parametri analizzati, in modo tale da capire quale fosse la combinazione ceppo-tempo di fermentazione ideale per la realizzazione di una bevanda gluconica. Nello specifico sono stati analizzati: pH, solidi solubili totali, solidi totali, grassi, proteine, composti fenolici totali, colore, e le concentrazioni di acido gluconico, glucosio e acido lattico. I risultati ottenuti evidenziano l’idoneità del siero di latte come substrato sia per la produzione di cellulosa batterica, sia per la produzione di una bevanda gluconica tramite inoculo di batteri acetici.
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Abstract
In the last decade the food production has increased exponentially bringing up the problem of the excessive amount of by-products obtained during the processes. Food by-products are generally characterized by a high environmental impact. However, in most of the cases, they are rich in bioactive compounds and fermentable sugars making them suitable for selective fermentations or other bioprocesses to obtain valuable products while reducing negative effects on the environment.
Cheese whey is the by-product of cheesemaking with a high impact on the environment. However, cheese whey is rich in vitamin B and lactose. Lactose can be broken down in glucose and galactose by using β-galactosidase enzyme For this reason an acetic fermentation by acetic acid bacteria could represent a valid bioprocess to obaint valuable exopolysaccharides and gluconic beverages starting from cheese whey.
This thesis is focused on the valorization of bovine cheese whey through selective fermentations by acetic acid bacteria in order to produce bacterial cellulose and a gluconic beverage. Experiments were conducted using a total of 9 bacterial strains, 6 out of 9 were tested to produce bacterial cellulose (all of them belonging to Komagataeibacter genera) and 3 strains were tested to produce a gluconic beverage (2 belonging to the species Gluconobacter oxydans and the type strain of the G. frateurii species).
This thesis is part of the research project “Microbial Resources for Sustainable Applications – Cellulose-producing Acetic Bacteria in Unimore Microbial Culture Collection (BACELL)”. University Fund for Research Year 2020.
First, lactose was broken down by using β-galactosidase since acetic acid bacteria lack the metabolic pathways to utilize lactose as a nutriment source. Second, cheese whey was centrifuged 3 times and sterilized through vacuum filtration.
Bacterial cellulose production was tested at 3 different time points (3, 6 and 9 days) using K1A18, K1G23, K2A8, K2G14, K2G30 and K2G39 strains. All the strains were incubated at 28°C. At the end of each time point, bacterial cellulose yield, pH levels and gluconic acid production were measured.
The type strain of G. frateurii (DSM 7146T) and 2 strains of G. oxydans (DSM 2343 and DSM 3503T) were used to obtain a gluconic beverage. All the samples were incubated at 28°C and 4 time points (2, 4, 6 and 8 days) were set for each strain. At each time point the following parameters have been analyzed: pH levels, total soluble solids, fat content, protein content, total solids, total phenolic compounds and the concentration of gluconic acid, remaining glucose and lactic acid. At the end, each sample was compared to the others running a PCA analysis.
The oucomes highlighted the idoneity of cheese whey to be used as raw material for bacterial cellulose synthesis and for the production of a gluconic beverage by inoculation with acetic acid bacteria.
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