Otimização da produção de biomassa de um Pediococcus parvulus degradador de OTA

Abstract

Lactic acid bacteria (LAB) are considered beneficial to health due to their use in the production of fermented foods and because they have several probiotic properties. Also, certain LAB strains have the ability to detoxify mycotoxins which make them a promising solution to reduce the levels of mycotoxins in food and feed products. Pediococcus parvulus is a LAB with the ability to detoxify ochratoxin A (OTA), which is one of the most important mycotoxins found in agricultural commodities. The present work aimed to optimize the biomass production of P. parvulus using batch and fed-batch fermentation processes. Initially, the composition of culture medium and operational conditions were optimized in flaks. The biomass production was evaluated by testing three culture media (MRS, TGE and GYP), wherein with MRS was obtained the maximal biomass concentration of 0.81 g·L-1. Lactose was also tested as an alternative carbon source but P. parvulus did not metabolized this monosaccharide. Temperature, pH control and L-(+) cysteine were the factors that had the most relevant effect on bacteria growth. At this level, the highest concentration of biomass achieved (1.14 g·L-1) was obtained in batch culture in bioreactor using MRS broth supplemented with 1.0 g·L-1 of L-(+) cysteine wherein pH and temperature were maintained at 5.2 and 30 ºC, respectively. After selecting the best conditions for P. parvulus cultivation, different batch and fedbatch fermentation process were studied. In those experiments, no significant difference in biomass production were observed between batch and fed-batch fermentation, since they achieved biomass concentrations of 1.14 g·L-1 and 1.19 g·L-1, respectively. Additionally, it was observed that P. parvulus was inhibited by lactic acid making it difficult to obtain high biomass yields with a unique and simple process. To overcome this problem, a fed-batch with cells-recycling through centrifugation was finally studied. Using this process, the biomass production was further enhanced being achieved a final biomass concentration of 2.24 g·L-1 and 3.19 g·L-1, respectively, with one and two cells-recycling steps. This maximum concentration was approximately 3-fold better than the one obtained in batch cultures. Besides, the OTA-degrading capacity of P. parvulus was not affect by the different operational conditions and modes of operations. Based on this results it will be interesting, in future studies, to evaluate the performance of a cell-recycling fed-batch culture system that uses a microfiltration membrane unit to continuously recycle the cells.

As bactérias láticas são consideradas benéficas para a saúde devido à sua aplicação em produtos alimentares fermentados e às suas propriedades probióticas. Outra possível vantagem destes microrganismos prende-se ao facto de certas bactérias láticas apresentarem a capacidade de degradar micotoxinas, sendo deste modo, uma solução promissora para reduzir os níveis de micotoxinas em produtos alimentares e rações animais. Pediococcus parvulus é uma bactéria lática com a capacidade de degradar ocratoxina A (OTA), que é uma das mais importantes micotoxinas encontradas nos produtos agrícolas. O estudo realizado teve com principal objetivo a otimização da produção de biomassa de P. parvulus recorrendo a processos de cultura descontínuo e semicontínuo. Inicialmente, a composição do meio de cultura e as condições de operação foram otimizadas em matraz. A produção de biomassa foi avaliada por crescimento da bactéria em três meios de cultura distintos (MRS, TGE e GYP), obtendo-se uma maior concentração de biomassa (0,81 g·L-1) com o meio MRS. A lactose foi também testada como fonte alternativa de carbono, verificando-se, contudo que P. parvulus não metaboliza este monossacarídeo. A temperatura, o pH e L- (+) cisteína foram fatores que tiveram um efeito relevante no crescimento da bactéria. A maior concentração de biomassa (1,14 g·L-1) foi obtida em bioreator usando o meio MRS suplementado com 1,0 g·L-1 de L-(+) cisteína onde o pH e a temperatura foram mantidos a 5,2 e 30 ºC, respetivamente. Depois de selecionadas as melhores condições para o crescimento de P. parvulus, diferentes processos de fermentação descontínuo e semi-contínuo foram estudados. Nestes ensaios iniciais não foram observadas diferenças significativas na produção de biomassa entre os modos descontínuo e semi-contínuo, tendo-se obtido concentrações de biomassa de 1,14 g·L-1 e 1,19 g·L- 1, respetivamente. Adicionalmente, foi observado que o crescimento de P. parvulus era inibido pelo ácido lático formado, tornando-se difícil obter concentrações elevadas com um único e simples processo. Para superar este problema, foi testada uma fermentação semi-contínua com reciclagem das células por centrifugação. Usando este processo, a produção de biomassa foi melhorada tendose obtido uma concentração final de biomassa de 2,24 g·L-1 e 3,19 g·L-1, respetivamente, com uma e duas etapas de reciclagem das células. Esta concentração máxima foi 3 vezes superior à obtida em cultura descontínua. Além disto, a capacidade de degradação da OTA pela P. parvulus não foi afetada pelas diferentes condições e modos de operação. Tendo em consideração os resultados obtidos, a avaliação do desempenho de um sistema de cultura semi-contínua com uma membrana de microfiltração para reciclagem contínua das células seria uma hipótese a ser futuramente testada.