Microbiological and physicochemical performance of cocoa bean fermentations carried out in different systems and screening of yeast and bacteria strains toward development of a starter culture

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pereira, Gilberto Vinícius de Melo
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFLA
Texto Completo: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/902
Resumo: Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agrícola, área de concentração em Microbiologia Agrícola, para a obtenção do título de Mestre.
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spelling Microbiological and physicochemical performance of cocoa bean fermentations carried out in different systems and screening of yeast and bacteria strains toward development of a starter cultureChocolateFermentaçãoCacauBactériaLeveduraFermentationCocoaBacteriaYeastCNPQ_NÃO_INFORMADODissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agrícola, área de concentração em Microbiologia Agrícola, para a obtenção do título de Mestre.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ)Microbiologia AgrícolaSpontaneous cocoa bean fermentations carried out in 500-g plastic containers, 10-Kg stainless steel tank, 40-kg stainless steel tank, 40-kg wooden box and 600-kg wooden box (Anex 1) were studied using a multiphasic approach that entailed culture-dependent and -independent microbiological analyses of fermenting cocoa pulp-bean samples and target metabolite analyses of both cocoa pulp and cotyledons. Both microbiological approaches revealed that the dominant species of major physiological roles were the same in all the fermentation processes. These species consisted of Saccharomyces cerevisiae and Hanseniaspora sp. in the yeast group; Lactobacillus fermentum and L. plantarum in the lactic acid bacteria (LAB) group; and Acetobacter tropicalis belonging to the acetic acid bacteria (AAB) group. A range of other microbial groups, such as Bacillus, Staphylococcus, Enterobacteria and non-Saccharomyces yeast were detected during the different fermentation processes, but the highest diversity was observed in the case of box fermentations. Additionally, a potentially novel AAB belonging to the genus Asaia was isolated during fermentation in 40-kg wooden box. Cluster analysis of the rRNA genes-PCR-DGGE profiles revealed a complex picture on the DGGE gels of the box samples, indicating that bacterial and yeast ecology were fermentation-specific processes (wooden boxes vs. stainless steel tanks). Generally, a similar course of the substrate consumption (sucrose, glucose, fructose, and citric acid) and metabolite production kinetics (ethanol, lactic and acetic acid) occurred both in the pulp and beans in all fermentations processes. However, differences in the concentrations of some metabolites produced in the pulp were observed for different fermentation processes. For instance, lowest concentration of ethanol and acetic acid, and higher of citric acid and lactic acid, were recovered during 500-g plastic containers fermentations when it was compared to 10-Kg stainless steel tank. In addition, the carbohydrate-ethanol-acetic fermentation was achieved with greater efficiency in 40-kg stainless steel tank, when it was compared to 40-kg wooden box and 600-kg wooden box. With further refinements, the stainless steel tank models may be useful in designing novel bioreactors for the optimisation of cocoa fermentation with starter cultures. In addtion, the plastic containers may provided a suitable model system analogy to larger-scale fermentations, at least with regards to microbial ecology. However, further studies should be evaluate to assess the impact of excessive production of the some metabolites in the pulp on the technological and sensorial quality of the stainless steel tank and plastic containers. In a second step of this study, the technological potential of yeast, LAB and AAB isolates were evaluated through a poly-phasic selection study, encompassing stress-tolerant growth ability and fermentation kinetic parameters in cocoa pulp simulation media. Overall, the strains of S. cerevisiae UFLA CHYC7.04 (ethanol producer, and acid-, heat-, and ethanol-tolerant), L. fermentum UFLA CHBE8.12 (citric acid fermenting, acid lactic producer, and heat-, acid-, lactic acid-, and ethanol-tolerant) and A. tropicalis UFLA CHBE16.01 (ethanol and lactic acid oxidizing, acetic acid producer, and acid-, heat-, acetic acid-, and ethanol-tolerant) were selected as one mixed-strain starter cultures that should lead to better controlled and more reliable cocoa bean fermentation processes. In addition, the results regarding the five non-Saccharomyces strains (Debaromyces etchelslsii UFLA CYB5.56, Candida humilis UFLA CYD14.32, Pichia Kluyeri UFLA CYC2.02 and Issatchenkia orientalis UFLA CYB6.02 and UFLA CYC6.02) indicated that these can be tested in association with S. cerevisiae in futures studies into cocoa starter cultures.Fermentações espontâneas de cacau, realizadas em cinco diferentes tipos de biorreatores, foram estudadas através de uma abordagem polifásica que implicou em análises microbiológicas através de métodos dependentes e independentes de cultivo da fermentação da polpa de cacau e análises físico-químicas da polpa de cacau e do cotilédone. As fermentações compreenderam em um micro-reator de polipropileno com capacidade para 400 g de amêndoas de cacau, reator de aço inoxidável com capacidade para 10 Kg de amêndoas de cacau, reator de aço inoxidável com capacidade para 40 Kg de amêndoas de cacau, reator de madeira com capacidade para 40 Kg de amêndoas de cacau e reator de madeira com capacidade para 600 Kg de amêndoas de cacau (Anexo 1). Ambas as abordagens microbiológicas revelaram que as espécies predominantes foram as mesmas em todos os processos fermentativos. Estas espécies consistiram das leveduras Saccharomyces cerevisiae e Hanseniaspora sp., das bactérias do ácido lático Lactobacillus fermentum e L. plantarum e da bactéria do ácido acético Acetobacter tropicalis. Outros grupos microbianos, tais como: Bacillus, Staphylococcus, Enterobactérias e leveduras não-Saccharomyces, foram detectados durante os diferentes processos fermentativos, entretanto, maior diversidade foi observada nas fermentações realizadas em caixas de madeira. Adicionalmente, uma potencial nova espécie de bactéria do ácido acético, pertencente ao gênero Asaia, foi isolada durante a fermentação em caixa de madeira com capacidade para 40 Kg de amêndoas de cacau. A análise de agrupamento, realizada através dos perfis gerados pelo gel de DGGE de levedura e bactérias, revelou uma complexa microbiota referente às fermentações em caixa de madeira, indicando que a ecologia microbiana dos processos fermentativos foi específica para o método adotado (caixas de madeira vs. tanques de aço inoxidável). Em geral, um perfil semelhante de consumo do substrato (sacarose, glicose, frutose e ácido cítrico) e da produção de metabólitos (ácido lático, ácido acético e etanol) ocorreu nos diferentes processos fermentativos. Entretanto, diferenças nas concentrações de alguns metabólitos produzidos na polpa, bem como suas difusões para o cotilédone, foram observadas. Como exemplo, menores concentrações de etanol e de ácido acético, bem como elevadas concentrações de ácido cítrico e ácido lático, foram observadas na micro-fermentação em recipiente de polipropileno, quando a mesma foi comparada com a fermentação em tanque de aço inoxidável com capacidade para 10 Kg de amêndoas de cacau. Além disso, transformação de carboidratos em etanol, e depois de etanol em ácido acético, foi mais eficientemente alcançada no biorreator de tanque de aço inoxidável com capacidade para 40 Kg de amêndoas de cacau, quando o mesmo foi comparado com as fermentações realizadas em caixas de madeira. Com novos aperfeiçoamentos, os modelos de tanques de aço inoxidável podem ser úteis na elaboração de novos biorreatores para a otimização do processo de fermentação de cacau. O micro-fermentador de polipropileno pode fornecer uma analogia adequada em comparação a fermentações em grande escala, pelo menos no que diz respeito à ecologia microbiana. Entretanto, mais estudos devem ser realizados para avaliar o efeito da excessiva produção de alguns metabólitos na polpa de cacau, e suas difusões para o cotilédone, sobre a qualidade tecnológica e sensorial dos tanques de aço inoxidável e do recipiente de prolipropileno. Em uma segunda etapa deste estudo, o potencial biotecnológico de leveduras, bactérias do ácido lático e bactérias do ácido acético foi avaliado, abrangendo capacidade de crescimento sob condições de estresse tolerância e parâmetros cinéticos de crescimento em meio sintético de polpa de cacau. Em geral, as linhagens de S. cerevisiae UFLA CHYC7.04 (eficiente produtora de etanol e resistente à altas concentrações de etanol, bem como a condições de baixa acidez e altas temperaturas), L. fermentum UFLA CHBE8.12 (fermentadora de ácido cítrico, produtora de ácido lático, e resistente à altas concentrações de ácido lático e etanol, bem como a condições de baixa acidez e altas temperaturas) e A. tropicalis UFLA CHBE16.01 (etanol e ácido láctico oxidantes, produtora de ácido acético, e resistente a altas concentrações de ácido acético e etanol, bem como a condições de baixa acidez e altas temperaturas) foram selecionados para o coquetel microbiano que pode levar a um melhor controle do processo fermentativo de cacau. Além disso, os resultados referentes a cinco linhagens de leveduras não-Saccharomyces (Debaromyces etchelslsii UFLA CYB5.56, Candida humilis UFLA CYD14.32, Pichiak Kluyeri UFLA CYC2.02 e Issatchenkia orientalis UFLA CYB6.02 e UFLA CYC6.02) indicou que as mesmas podem ser testadas em associação com a levedura S. cerevisiae em estudos futuros.UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRASDBI - Programa de Pós-graduaçãoUFLABRASILSchwan, Rosane FreitasDias, Disney RibeiroSilva, Irene Coelho daEfraim, PriscillaPereira, Gilberto Vinícius de Melo2013-08-20T12:25:25Z2013-08-20T12:25:25Z201220132012-02-14info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfPEREIRA, G. V. de M. Microbiological and physicochemical performance of cocoa bean fermentations carried out in different systems and screening of yeast and bacteria strains toward development of a starter culture. 2012. 178 p. Dissertação (Mestrado em Microbiologia Agrícola) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2012.http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/902info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFLAinstname:Universidade Federal de Lavras (UFLA)instacron:UFLA2023-05-02T16:31:06Zoai:localhost:1/902Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufla.br/oai/requestnivaldo@ufla.br || repositorio.biblioteca@ufla.bropendoar:2023-05-02T16:31:06Repositório Institucional da UFLA - Universidade Federal de Lavras (UFLA)false
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