Thuis
Contacten

    Hoofdpagina


Saccharomyces cerevisiae

Dovnload 23.01 Kb.

Saccharomyces cerevisiae



Datum25.10.2017
Grootte23.01 Kb.

Dovnload 23.01 Kb.

Samenvatting

Levensmiddelenfermentaties zijn een uniek studie-object op het gebied van de microbiële ecologie met een bijzonder belang voor de menselijke consument. Als een goedkope en efficiënte wijze om de houdbaarheid en sensorische eigenschappen van levensmiddelen te verbeteren, blijven levensmiddelenfementaties onovertroffen tot heden ten dage. Alhoewel al zeer lang in gebruik en alhoewel er vele andere technieken beschikbaar zijn om de houdbaarheid van ruwe grondstoffen te verbeteren, bestaat een vernieuwde interesse in deze processen als een middel om aan productdiversificatie te doen, teneinde tegemoet te komen aan de vraag van een steeds veeleisender consument. Levensmiddelenfermentaties werden traditioneel spontaan uitgevoerd. Een goed uitgevoerde fermentatie die de gewenste eigenschappen aan het eindproduct gaf, kon lange tijd in stand worden gehouden door terugfermentatie, wat het enten van een nieuwe fermentatie met een portie van de vorige fermentatie inhoudt, hetgeen het behoud van een goed aangepaste microbiota garandeert. De aard van de metabole en fysiologische aanpassingen van de microbiota aan een zeker ecosysteem varieren van ruwe grondstof tot ruwe grondstof.

De huidige studie beoogde een inschatting van de functionaliteiten van de dominante populatie gisten en bacteriën in de cacaoboonfermentatie en de zuurdesemfermentatie. In beide systemen spelen gisten en melkzuurbacteriën (MZB) een dominante rol en in beide systemen werden de soorten Saccharomyces cerevisiae en Lactobacillus fermentum teruggevonden als een belangrijk onderdeel van de microbiota. Om een completere beschrijving te bekomen van de microbiële populaties, werd een taxonomische studie uitgevoerd van de aanwezige gisten, gevolgd door een functionele karakterisering in functie van het ecosysteem. In het geval van de MZB werd één belangrijke functionaliteit in detail bestudeerd, namelijk arginine-omzetting via het arginine deiminase(ADI)-pad.

De gistpopulatie van de cacaoboonfermentatie bestond voornamelijk uit S. cerevisiae, Hanseniaspora opuntiae en Pichia kudriavzevii (voorheen Issatchenkia orientalis). Isolaten van deze drie soorten vertoonden fysiologische eigenschappen in overeenstemming met de omstandigheden van de cacaoboonfermentatie, met als uitzondering het ontbreken van detecteerbare pectinase-activiteit. Zuurdesemfermentaties werden zowel in het laboratorium als in bakkerijen bestudeerd en een verschillende soort-samenstelling werd teruggevonden. Daar waar de laboratoriumzuurdesemfermentaties gedomineerd werden door Wickerhamomyces anomalus (voorheen Pichia anomala) en Candida glabrata, werden voornamelijk S. cerevisiae en W. anomalus teruggevonden in de bakkerijen, en in éénenkele bakkerij werd uitstluitend het species Kazachstania barnettii teruggevonden, een species dat voor de eerste keer in zuurdesem werd gerapporteerd. De dominantie van S. cerevisiae kon worden toegeschreven aan het gebruik van dit species als startercultuur (bakkersgist) in bakkerijen. De dominantie van C. glabrata in de laboratoriumzuurdesemfermentaties is verrassender, daar dit species bekend staat als een opportunistische pathogeen. Ook hier bleken de gistisolaten uitstekend aangepast aan hun ecosysteem en alhoewel in de literatuur veel gesproken wordt over het belang van de maltose-negatieve gist Candida humilis in combinatie met de maltose-positieve MZB Lactobacillus sanfranciscensis, werd in deze studie slechts één maltose-negatieve gist teruggevonden, namelijk K. barnettii, wat aantoonde dat maltose-negatieve gisten van belang zijn in zuurdesemfermentaties.

Om na te gaan of de dominantie van Lactobacillus plantarum en L. fermentum en de afwezigheid van L. sanfranciscensis in de laboratoriumzuurdesemfermentaties te wijten was aan de experimentele omstandigheden, werden spontane fermentaties door terugfermentatie uitgevoerd, gedurende 10 dagen, bij verschillende temperaturen en met verschillende verversingstijden. In al deze fermentaties bestond de dominante MZB-populatie uit L. fermentum, al dan niet in combinatie met L. plantarum, behalve in de fermentatie bij lage temperatuur waar Leuconostoc citreum dominant was. In geen van deze fermentaties werd L. sanfranciscensis teruggevonden. Alhoewel dit species goed aangepast is aan het zuurdesemecosysteem, reflecteerde de afwezigheid ervan vermoedelijk de samenstelling van het initiële inoculum aanwezig in de bloem.

Daar L. fermentum gevonden werd als dominant species in zowel zuurdesemfermentaties als cacaoboonfermentaties, werd een gedetailleerde studie uitgevoerd aangaande die fysiologische eigenschappen die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor deze dominantie. Twee metabole eigenschappen geassocieerd met L. fermentum, zijn mannitolproductie en arginine-omzetting via het ADI-pad. Mannitolproductie via de reductie van fructose als alternatieve externe elektronacceptor geeft aanleiding tot NAD+-recuperatie ATP-vorming, daar waar arginine-omzetting zowel ATP als ammoniak vormt. Ammoniak vormt een bescherming tegen zuurtestress. Monocultuurfermentaties met L. fermentum IMDO 130101, een isolaat uit een laboratorium roggezuurdesemfermentatie, werden uitgevoerd in tarwe-zuurdesemsimulatiemedium, bij verschillende constante pH-waarden. Om een meer nauwkeurige beschrijving te bekomen van de kinetiek van microbiele groei, melkzuur-, azijnzuur- en ethanolproductie, en arginineconversie, als aanpassing aan de verschillende toegepaste fermentatie-omstandigheden, werd een wiskundig model toegepast. Mannitol werd geproduceerd bij elke geteste pH-waarde. Wat betreft het ADI-pad, werd ornithine als belangrijkste product teruggevonden in de buurt van de maximum en minimum pH-waarde voor groei, daar waar het intermediair citrulline het belangrijkste eindproduct was bij intermediaire pH-waarden. Citrulline werd vaak in een latere fase verder omgezet in ornithine. Deze resultaten wijzen op een meer algemene functie van het ADI-pad dan enkel aanpassing aan zuurtestress, doch de fysiologische rol voor citrulline-excretie blijft onverklaard.

Om de activiteit van het ADI-pad verder te bestuderen als functie van andere relevante omgevingsomstandigheden werden monocultuurfermentaties uitgevoerd bij verschillende temperaturen en verschillende hoeveelheden toegevoegd zout. Een toenemende ornithineproductie werd waargenomen met toenemende temperatuur, daar waar een hogere zoutconcentratie aanleiding gaf tot een hogere arginineconversiesnelheid en het stoppen van latere citrulline-omzetting. Beide fenomenen wijzen in de richting van een rol van het ADI-pad van L. fermentum IMDO 130101 in aanpassingen aan omgevingsomstandigheden anders dan zuurtestress.

Het voorliggende werk draagt bij tot het beter begrijpen van de aanpassingen van dominante microbiële populaties aan hun omgeving en de complexe bijdrage van metabole eigenschappen in deze aanpassingen. De resultaten van deze studie kunnen helpen bij een meer rationele startercultuur-selectie. Het gebruik van wiskundige modellen, indien consequent toegepast, moet toelaten verscheiden potentiële starterculturen op objectieve basis met elkaar te vergelijken.



Summary

Food fermentations represent a unique study in microbial ecology with particular relevance for the human consumer. As a cheap and effective way to enhance the durability and palatability of foodstuffs, it remains unsurpassed to this day. Although of ancient origin and although preservation of raw materials can be done through other means nowadays, a renewed interest in these processes is emerging, as a means of diversifying the organoleptic properties of foods to cater to the tastes of an ever more discerning and demanding consumer. Food fermentations were traditionally carried out through spontaneous fermentation. This could be harnessed over longer periods of time through backslopping, which means the reinoculation of a fresh fermentation with a portion of the remaining one, thereby guaranteeing that a well-adapted microbial population is maintained. The nature of the functionalities of the microorganisms that guarantee a good adaptation to a certain food ecosystem depend on the raw material.

In the current study, an assessment of the functionalities of dominant communities of yeasts and bacteria in cocoa bean fermentation and sourdough fermentation was performed. In both these systems, yeasts and lactic acid bacteria (LAB) play a dominant role, and in both these systems the species Saccharomyces cerevisiae and Lactobacillus fermentum were found as important ones. To gain a complete description of the microbial populations, a taxonomic survey of the yeasts present, together with a functional characterization in function of their ecosystem was performed. For LAB, one important functionality, the conversion of arginine to ornithine via the arginine deiminase pathway, was characterized in detail.

The yeast population of the cocoa bean fermentation was mostly dominated by Saccharomyces cerevisiae, Hanseniaspora opuntiae, and Pichia kudriavzevii (formerly Issatchenkia orientalis). Isolates from these three species had physiological characteristics in accordance with the cocoa bean fermentation, the exception being a lack of detectable pectinase activity. Sourdough fermentations were studied both in bakeries and in the laboratory, and a different species composition was found. While the laboratory sourdough fermentations were dominated by Wickerhamomyces anomalus (formerly Pichia anomala) and Candida glabrata, the artisan bakery sourdoughs were dominated by Saccharomyces cerevisiae and W. anomalus, while one bakery was found to be exclusively dominated by Kazachstania barnettii, a species reported in sourdough fermentation for the first time. The dominance of S. cerevisiae could be attributed to its use as a starter culture (baker’s yeast) in bakeries. The species in the laboratory fermentations were more surprising, as C. glabrata is known as an opportunistic pathogen. Again, the dominant yeasts were well adapted to the sourdough ecosystem, and although there are many reports of the maltose-negative yeast Candida humilis in association with Lactobacillus sanfranciscensis in typical sourdough fermentations, the only maltose-negative yeast found in this study was K. barnettii, indicating that maltose-negative yeasts are prevalent in sourdough fermentations.

To assess whether the dominance of Lactobacillus plantarum and L. fermentum, together with the absence of L. sanfranciscensis, in laboratory wheat sourdough fermentations was due to the experimental conditions applied, spontaneous 10-day sourdough fermentations were performed with different temperatures and backslopping times. In all these experiments, L. fermentum was found, often in combination with L. plantarum. Only at lower temperatures was another species, Leuconostoc citreum, dominant. In none of these fermentations L. sanfranciscensis was found. Although well-adapted to the sourdough ecosystem, the absence of this species in these fermentations probably reflects the nature of the inocula present in the flour used.

As L. fermentum was found as a dominant species in both sourdough fermentations and cocoa bean fermentations, a detailed investigation of those physiological properties that might be responsible for its competitiveness was performed. Two metabolic traits associated with L. fermentum in sourdough were mannitol production and arginine conversion through the ADI pathway. Mannitol production through reduction of fructose as alternative external electron acceptor represents eazy NAD+ regeneration and extra ATP production, while arginine conversion produces both ATP and ammonia, the latter being of importance in counteracting acid stress. Monoculture fermentations in wheat sourdough simulation medium were performed with L. fermentum IMDO 130101, an isolate from a laboratory rye sourdough fermentation, at different constant pH values. To more accurately assess the kinetics of microbial growth, substrate consumption, lactic acid, acetic acid, and ethanol production, and arginine conversion, a mathematical model was applied that allowed an accurate description of the kinetics of the various metabolic traits in response to various environmental conditions. Mannitol was produced at all pH’s tested. Concerning the ADI pathway, ornithine was the main end-product near the minimal and maximal pH still allowing growth, while at intermediate pH, citrulline excretion was observed, often followed by further citrulline conversion into ornithine in a later phase, pointing to a more general role in stress response of ornithine production than merely adaptation to acid stress, and some role for citrulline excretion, which remains unexplained.

To further explore the activity of the ADI pathway in response to other relevant environmental cues, monoculture fermentations were again carried out but at different temperatures, and with different added salt concentrations. A steadily increasing ornithine production was observed with increasing temperature, while increasing salt led to an increase in the arginine conversion rate, with a cessation of further citrulline conversion. Both responses indicate a role for the ADI pathway of L. fermentum IMDO 130101 in adaptation to stressful environmental conditions other than pH.

The present work contributed to the understanding of the adaptations of dominant microbial populations to their environment and their potential complex involvement in response to various environmental cues. The findings of this study can aid in rational starter culture selection. The modelling approach allowed a quantitative description of metabolic traits, which, when applied consistently, should allow objective comparison of various potential starter culture strains.






Dovnload 23.01 Kb.