Riassunto analitico
I batteri acetici (BA) sono batteri aerobi obbligati appartenenti alla famiglia Acetobacteraceae, all'interno della classe Alphaproteobacteria.
Caratteristiche peculiari dei BA, con differenze all’interno di generi e specie, sono l’ossidazione di etanolo ad acido acetico, di zuccheri e polialcoli dai quali vengono prodotti metaboliti di rilevanza industriale. Inoltre alcuni BA possono sintetizzare biopolimeri di grande interesse biotecnologico come cellulosa batterica (CB) e fructooligosaccharidi (FOS).
In questo progetto di dottorato ceppi di BA sono stati studiati per le più promettenti applicazioni biotecnologiche, come la produzione di nuovi aceti, la sintesi di CB e FOS, e lo sviluppo di attrattivi per il controllo di Drosophila suzukii, infestante emergente dei piccoli frutti.
I BA hanno un uso consolidato nella produzione di aceto, tuttavia, le colture starter selezionate non vengono usate in campo industriale, soprattutto a causa della carenza di disponibilità di culture attive e difficoltà di gestione delle stesse. In questo studio, sono state prodotte colture starter selezionate utilizzando una modalità di fermentazione combinata (sistema statico e sommerso) e trasferite in azienda dove sono state sviluppate fermentazioni su scala prototipale. Tali colture hanno consentito di produrre quattro nuovi aceti con i parametri desiderati. La stabilità dei processi in tutte le fasi e con tutti i sistemi di produzione ha confermato la concreta possibilità di utilizzo di culture selezionate di BA per fermentazioni industriali.
La CB sta ricevendo una crescente attenzione a causa del suo elevato potenziale per la produzione di alimenti salutistici, cosmetici, prodotti farmaceutici e biomedici. In questa parte del progetto, un ceppo della specie Komagataeibacter xylinus (UMCC 2756) è stato selezionato per la produzione di CB (23 g/L di CB prodotta). Ottimizzando le condizioni di coltivazione, la resa in BC è stata aumentata del 30% e la formazione dei sottoprodotti dimezzata. Le principali proprietà chimico-fisiche della CB sono quindi state determinate. I risultati raggiunti supportano l'uso della BC in applicazioni biomediche ed alimentari.
Alcune specie di BA sono alto-produttori fruttani (FOS). Questi polimeri del fruttosio sono utilizzabili sia in campo alimentare che non-alimentare. In questo studio, la produzione di FOS è stata prima quantificata e poi aumentata ottimizzando le condizioni di coltura. Neoasaia chiangmaiensiss NBRC 101099 con 17g/L in condizioni standard e 58 g/L in quelle ottimizzate ha mostrato la resa più elevata. K. xylinus UMCC 2756, invece, ha mostrato rese in FOS inferiori e produzione di CB. La produzione simultanea di FOS e CB rende il ceppo idoneo per lo sviluppo di una bevanda prebiotica funzionale.
Un importante ostacolo al controllo di Drosophila suzukii è la formazione di CB da parte di batteri ubiquitari che interferisce con l'attrattiva delle trappole durante il monitoraggio. Per affrontare tale problematica, sono stati sviluppati cinque attrattivi bioattivi utilizzando un ceppo selezionato con buona capacità ossidativa e incapacità di produrre CB. Gli attrattivi sono stati sviluppati sia in sistema statico che sommerso e confrontati con una preparazione commerciale. Gli attrattivi bioattivi formulati nel presente studio hanno permesso un monitoraggio efficiente di D. suzukii e non hanno mostrato formazione di CB durante l’esposizione in campo. Pertanto essi costituiscono una valida alternativa alle preparazioni commerciali.
I risultati presentati in questa tesi confermano l'elevato potenziale di BA. E’ stato dimostrato infine, che la selezione di ceppi per tratti specifici, insieme ad una approfondita conoscenza degli aspetti biochimici, microbiologici e tecnologici sono alla base dello sfruttamento industriale dei BA.
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Abstract
Acetic acid bacteria (AAB) are obligate aerobic bacteria belonging to the Acetobacteraceae family, within the Alphaproteobacteria class.
Some peculiar characteristics of AAB, which are variable within genera and species, are the oxidation of ethanol, sugars, sugar alcohols from which several valuable metabolites are industrially produced. Moreover, some AAB are also able to synthetize biopolymers such as Bacterial Cellulose (BC) and fructooligosaccharides (FOS).
In this PhD project, AAB strains were studied for the most promising biotechnological applications, such as new vinegars production, synthesis of BC and FOS, and the development of bioactive attractants to control the invasive pest Drosophila suzukii.
In vinegar production AAB have a consolidated use, however, selected starter cultures are still not applied, mainly due to the lack of user-friendly cultures. Therefore, in this study a selected AAB strain was scaled up from the laboratory to a prototype scale in a combined fermentation mode (static and submerged systems). Viable cultures were produced at both laboratory and prototype scales. Four vinegars with new attributes were developed and processed to obtain the final products with desired parameters. The long-term process stability along all production system confirmed the feasibility of using selected AAB cultures for industrial acetic acid fermentations.
Bacterial cellulose has received increasing attention because of its high potential in a wide array of applications such as healthy food, cosmetics, pharmaceutical and biomedical products. In this part of the project strains belonging to Komagataeibacter xylinus species were screened for their ability to produce BC. The strain UMCC 2756 with more than 23 g/L of BC was the best performing strain. By optimizing the culture conditions, BC yield was increased of 30% and the formation of by-products halved. BC was then characterized to determine its main chemical-physical properties. These results support the use of BC produced by the selected strain for biomedical and food applications.
Some species of AAB are high FOS producers. These fructose polymers are suitable for a wide range of applications in both food and non-food fields. In this study, FOS produced by AAB strains were first quantified and then increased by optimizing the culture conditions. Neoasaia chiangmaiensiss NBRC 101099 showed the highest yield, 17g/L in standard and 58g/L in optimized conditions. K. xylinus UMCC 2756, instead, showed a lower FOS yield, however, it also produced BC. Simultaneous production of FOS and BC can enable the development of a functional prebiotic beverage.
An important drawback in the field control of Drosophila suzukii pest is the BC formation by ubiquitous bacteria which hinder the count operation and attractiveness of the traps. To deal with this issue, five different bioactive attractants were developed using a selected AAB strain with suitable oxidative ability and inability to produce BC. Attractants were developed in both submerged and static fermentation system and compared with a commercial preparation. Bioactive attractants formulated in this study were able to efficiently monitor the pest population without showing BC formation. Thus, they can be a feasible alternative to the available commercial preparations.
In conclusion, results of this thesis confirm that AAB have high potential as functional biocatalysts in both food and food applications. We demonstrated that the selection of strains for specific traits and the deep understanding of biochemical, microbiological and technological aspects are essential to increase their impact in industrial applications.
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