Lactic acid fermentation: a traditional process for new applications

Abstract

Fruit and vegetable harbour different microbial species and among them lactic acid bacteria were ranged from 2 and 4 Log CFU/g. Leuconostoc, Lactobacillus, Weissella, Enterococcus and Pediococcus genera can be found, however Lactobacillus plantarum as versatile species, is often encountered and employed for fruit and vegetable fermentations. Lactic acid fermentation can be applied using microorganisms as cell factories, for the production of interesting compounds as enzymes, flavouring agents, metabolites, etc. Moreover, can leads to the transformation of raw materials into final products (fermented food) contributing to shelf life extension, microbial safety and to the implementation of organoleptic, technological and nutritional properties. Some chemicals and physical parameters, such as pH, the concentration of sugars and organic acids, make, especially fruits, an hostile environment for microorganisms. Generally lactic acid bacteria has great biodiversity at species and strain level, derived from their ability to adapt in different environment. In adverse conditions, microorganisms shift towards specific metabolic pathways, using non-conventional carbon source, exploiting alternative substrates to improve stress tolerance. This attempt to adapt can resulted in flavours formation, phenolic compounds metabolism and molecules production. Based on these assumptions the aim of the present thesis was to exploit lactic acid bacteria in order to valorise different plant matrices, from fruit juices to food by-products. An overview on the metabolism of LAB strains, of plant but especially dairy origin, during fermentation, was reported. Two types of fruit juices, elderberry and cherry, and one by-product, orange peels, were used for fermentations in order to study the metabolism of the different strains applied, to modulate/improve the organoleptic and nutritional properties of juices and to produce lactic acid, a valuable chemical compound, from orange by-products.

Nella frutta e nelle verdure varie specie di microorganismi possono essere rilevate e, fra di questi, i batteri lattici si ritrovano in una concentrazione compresa fra 2 e 4 Log CFU/g. Leuconostoc, Lactobacillus, Weissella, Enterococcus e Pediococcus sono i generi maggiormente rappresentati, tuttavia Lactobacillus plantarum essendo una specie versatile, viene spesso riscontrata e impiegata per la fermentazione di frutta e verdura. La fermentazione lattica può essere sfruttata utilizzando i microorganismi come “fabbrica” per la produzione di composti di interesse come enzimi, agenti aromatizzanti, metaboliti, ecc. in aggiunta può portare alla trasformazione di materie prime in un prodotto finale (alimento fermentato) contribuendo l'estensione della shelf-life, della sicurezza alimentare e all'incremento delle proprietà organolettiche, nutrizionali e tecnologiche. Alcuni parametri fisici e chimici come il pH, la concentrazione di zuccheri e acidi organici, rendono, specialmente la frutta, un ambiente ostile per i microorganismi. Generalmente i batteri lattici mostrano una grande biodiversità, specie e ceppo specifica, che deriva dalla loro abilità ad adattarsi in diversi ambienti. In condizione diverse, i microorganismi dovrebbero adottare specifiche vie metaboliche, coinvolte nell’utilizzo di fonti di carbonio non convenzionali, nello sfruttamento di substrati alternativi e in una risposta globale allo stress. Questi tentativi di adattamento possono risultare nella formazione di composti aromatici, nel metabolismo di composti fenolici e nella produzione di specifiche molecole. Partendo da questi presupposti lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di sfruttare i batteri lattici per la valorizzazione di diverse matrici vegetali, dai succhi di frutta ai sottoprodotti alimentari. In questo lavoro è stata riportata una visione d'insieme sul metabolismo di ceppi di batteri lattici, isolati da matrici vegetali ma soprattutto da matrici casearie, durante la fermentazione lattica. Due tipi di succhi di frutta, sambuco e ciliegia, e un sottoprodotto alimentare, la buccia di arancia, sono stati utilizzati per le fermentazioni allo scopo di studiare il metabolismo dei diversi ceppi utilizzati per implementare/modificare le caratteristiche nutrizionali e organolettiche dei succhi di frutta e per la produzione di acido lattico partendo dai sottoprodotti dell’arancia.