Valorisation du lactosérum par fermentation en une étape en utilisant un coculture des levures pour produire des biomolécules d'arôme et de saveur.

Valdez Castillo, Mariana (2022). Valorisation du lactosérum par fermentation en une étape en utilisant un coculture des levures pour produire des biomolécules d'arôme et de saveur. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 258 p.

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Résumé

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Le présent travail de recherche porte sur la valorisation de lactosérum par voie de fermentation en utilisant Kluyveromyces marxianus et Debaryomyces hansenii, deux levures connues par leur capacité de produire des composés ayant des propriétés d’arôme et de saveur. Le projet de recherche a été divisé en deux parties principales : la première section correspond à la détermination de l’état-de-art concernant la valorisation du lactosérum par des méthodes physiques, thermiques et biologiques. Parmi ces dernières, la fermentation du lactosérum en utilisant des levures a été identifiée parmi les options les plus appropriées. Ceci est attribuable au fait que les levures peuvent produire une grande variété de sous-produits d’intérêt industriel, tels que des alcools à haut masse molaire comme le 2-phényléthanol (2PE). Le 2PE est très apprécié dans les secteurs alimentaire, cosmétique et pharmaceutique et présente un prix de marché élevé. Cependant, sa production par fermentation est affectée principalement par la composition du milieu de culture (type de substrat et présence de la L-phénylalanine (L-Phe) en tant que précurseur), les conditions d’opération de la fermentation (aération, température et pH), l’accumulation des métabolites (éthanol) et les conditions cellulaires (âge et densité). La deuxième section du projet a été planifiée selon l’état de l’art définie préalablement. La recherche expérimentale a été constituée de trois principaux sujets ayant comme objectif ultime le développement d’un bioprocédé pour produire du 2PE par fermentation de déchets agroalimentaires. Le recherche expérimentale a été développée comme suit : 1) une première étape afin d’identifier les principales biomolécules d'arôme et de saveur qui sont produites lors de la fermentation du lactosérum avec les levures K. marxianus et D. hansenii utilisées soit sous mode de monoculture, soit de co-culture; dans cette étape ont été déterminées les meilleurs conditions d’opération pour produire du 2PE à l’échelle laboratoire, 2) l’étude de l’effet de la densité cellulaire de levures sur la production du 2PE; dans cette étape les modes de culture en suspension et de cellules immobilisées sur des supports ont été analysées et comparées réalisant la fermentation dans des fioles et en bioréacteur, et 3) l'étude de faisabilité technique de l’utilisation des biomasses résiduelles comme source renouvelable des précurseurs d’alcools de haute masse molaire en les ajoutant comme supplément pour augmenter la production des alcools lors de la fermentation du lactosérum; dans cette étape a été étudiée l’utilisation de sources renouvelables et peu dispendieuses riches en protéines afin d’avoir une incidence sur la rentabilité de la production de 2PE et de diminuer l’empreinte environnementale du procédé. Les résultats ont montré que la fermentation aérobie du lactosérum à l'aide de levures co-cultivées améliore les paramètres cinétiques du 2PE par rapport à l'utilisation de monocultures. Ensuite, l'étude de l'effet de la concentration initiale de lactose et de L-Phe sur la production de 2PE a été réalisée. Un rendement de 0,81 g2PE/gL-Phe a résulté de l'utilisation de 15,9 gLactose/L et 3 gL-Phe/L ce qui représente une valeur compatible aux valeurs les plus élevées rapportées dans la littérature (0,78 g2PE/gL-Phe). L'augmentation de la densité cellulaire par l'immobilisation des levures sur des supports inertes a conduit à une augmentation de la productivité de 2PE jusqu'à 9,45 ± 0,17 mg/L*h par rapport aux cellules en suspension de 6,64 ± 0,00 mg/L*h. Ceci a été attribué à la formation d'un biofilm de levure sur le support inerte, qui pourrait offrir une protection contre les alcools accumulés dans le bouillon de culture et permettre une meilleure adaptation des cellules de levure au milieu. À une échelle de fioles, l'ajout de sources naturelles de L-Phe a permis d’obtenir un faible rendement de 2PE avec les résidus de soja de 0,46 ± 0,01 g2PE/gL-Phe. En revanche, le rendement a été élevé avec levure résiduelle de bière (LUB) jusqu'à 2,44 ± 0,01 g2PE/gL-Phe parce que les souches de levure étaient capables de dégrader les protéines de la LUB et de libérer la L-Phe dans le milieu. Ensuite, le procédé a été mis à l'échelle dans des bioréacteurs d'un volume total de 2 L dans des conditions d'opération contrôlées et complètement aérobie. La productivité maximale de 2PE observée dans le bioréacteur a été de 38,4 mg/L*h, correspondant à une concentration de 2PE de 1843 mg/L au bout de 48 h de fermentation. Ces résultats montrent que l'utilisation de différents résidus comme matières premières biosourcées est une option prometteuse pour produire des biomolécules selon un mode de production durable. Le bioprocédé développé avec la levure en coculture et LUB dans cette étude a permis de multiplier par 4,7 la production de 2PE selon les données de la littérature (8,1 mg/L*h).

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The objectives of this project are related to the whey valorization via fermentation using Kluyveromyces marxianus and Debaryomyces hansenii to produce compounds with aroma and flavor properties. This project is performed in two steps: the first one is to define the state of the art of whey valorization by exploring both physical-thermal and biological methods. In this context, the yeast fermentation was identified as a suitable option to produce a large variety of byproducts of industrial interest, such as alcohols of high molecular weight like 2-phenylethanol (2PE). The 2PE is highly appreciated in the food, cosmetic and pharmaceutical sectors and presents an elevated market price. However, it was observed that its production by fermentation is mainly affected by the composition of the culture media (substrate and presence of the precursor L-Phe), the operating conditions of fermentation (aeration, temperature and pH), the production of other metabolites (ethanol) and the cellular conditions (age and density). The second step of the project was planned according to the aforementioned state of art. The experimental research consisted of three main phases with the main objective of developing a bioprocess to produce 2PE by fermentation of agri-food residues: 1) the exploration of whey fermentation using K. marxianus and D. hansenii yeasts under monoculture and co-culture mode to produce aroma and flavor biomolecules; in this phase, the best conditions for the production of 2PE were determined at laboratory scale, 2) the effect of the yeasts cells immobilization onto inert supports on the production of 2PE was studied; in this phase, the culture in suspension and immobilized on supports developed on flasks were analyzed and compared, 3) the study of the feasibility of use biomass residual such as source of renewable precursors of alcohols with high molecular weight and supplements of whey fermentation to increase the production of alcohols was performed; in this phase, the use of renewable and low-cost sources of proteins for the 2PE production was performed with the aim to decrease the environmental footprint of the bioprocess. Results showed that the aerobic whey fermentation using the co-cultured yeasts improved the kinetic parameters of L-Phe rate consumption and production of 2PE in comparison to the use of monocultures. A subsequent optimization of initial concentration of lactose and L-Phe for the 2PE production was performed by response surface methodology. A yield production of 0.81 g2PE/gLphe at 48 h resulted from the use of 15.9 gLactose/L and 3 gL-Phe/L, showing to be a value compatible with the highest values reported in the literature (0.76 g2PE/gLphe). The increment on cellular density by means of the yeasts immobilization on inert supports led to the increment of 2PE productivity from 6.6±0.0 mg/L*h for cells in suspension to 9.5±0.2 mg/L*h for the immobilized yeast cells. This was attributed to the formation of yeast biofilm on the inert support, which could offer protection against the alcohols accumulated on the culture broth and allowed a better yeasts cells adaptation to the media. At flask scale, the use of natural sources of L-Phe let to a low 2PE yield with the soy residues (0.46 ± 0.01 g2PE/gL-Phe). Whereas, the yield was increased up to 2.44 ± 0.01 g2PE/gL-Phe when brewer’s spent yeasts (BSY) were used. This yield is attributed to the degradation of BSY proteins due to the metabolism of yeasts. Then, the process was scaled up to bioreactors of a total volume of 2 L under completely aerobic controlled operating conditions. The maximum 2PE productivity observed in bioreactor was 38.4 mg/L*h, corresponding to a 2PE concentration of 1843.2 mg/L at 48 h of fermentation. These results demonstrated that the use of different residues as bio-based raw materials is a promising option to produce biomolecules in a sustainable production way. The bioprocess developed with the BSY increased up to 4.7-fold the 2PE production according to the results in the literature (8.1 mg/L*h).

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Couture, Patrice
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Brar, Satinder Kaur; Blais, Jean-Françoiset Arriaga Garcia, Sonia Lorena
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	valorisation du lactosérum; coculture de levures; immobilisation de levure; fermentation de cosubstrats; arômes; saveurs; 2-phényléthanol; whey valorization; yeast co-culture; yeast immobilization; co-substrate fermentation; aromas, flavors; 2-phenylethanol
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	30 mars 2023 18:56
Dernière modification:	17 juill. 2024 14:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13180

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