Αξιολόγηση απομονωθέντων γαλακτικών βακτηρίων από κόκκους kefir στην παραγωγή λειτουργικού τροφίμου με βάση χυμό φρούτων

Abstract

In the present PhD dissertation, the production of an innovative functional beverage through lactic acid fermentation of chokeberry juice with the potentially probiotic strain L. paracasei SP5, which had previously been isolated from dairy products and kefir was examined the microorganism was cultivated at the Laboratory of Microbiology, Biotechnology and Hygiene of the Department Democritus University of Thrace. It was used either in free and/or immobilized form on prebiotic substrates such as delignified wheat bran and orange peel, where their biocatalysts were evaluated in terms of their viability and fermentation capacity. Initially, the optimal fermentation conditions of L. paracasei SP5 in the juice were measured, such as the appropriate temperature and its concentration content. For the continuation of the experiments, the optimal fermentation conditions were selected, the combination of which led to the highest viability value of L. paracasei SP5. Subsequently, microbiological analyses were carried out and the viability of the microorganisms was checked during 48-hour fermentation and cold storage of the juices for 4 weeks, as well as their contamination by yeasts and fungi. It should be noted that for each fermentation case, physicochemical analyses were also carried out, such as the determination of the content of total phenolic compounds using the Folin-Ciocalteau method, determination of sugars (glucose, fructose and sorbitol), organic acids (lactic acid, malic acid and acetic acid) and ethanol using High Performance Liquid Chromatography (HPLC), determination of antioxidant capacity using the FRAP (ferric reducing antioxidant power) method and the α-TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) method, determination of volatile compounds using solid phase microextraction (SPME) and gas chromatography/mass spectroscopy (GC/MS). The results of the above experiments were very encouraging, as they showed that the fermentation of chokeberry juice by the potentially probiotic strain L. paracasei SP5 can yield a functional beverage with high antioxidant capacity even after 4 weeks of storage after fermentation. In particular, this strain showed high performance in terms of its fermentation capacity in a not so friendly substrate, such as chokeberry juice, mainly due to low pH. This was the main reason why the application of immobilization using 2 substrates (wheat bran and orange peel) was examined, in order to further assist the viability and fermentation capacity of L. paracasei SP5 and improve the quality of the fermented juice. Indeed, the use of orange peel and delignified wheat bran as substrates for the immobilization of L. paracasei SP5 enhanced the lactic acid fermentation of chokeberry juice compared to the results achieved with free cells, with regard to the final lactic acid concentrations. In addition, the application of immobilization led to increased levels of antioxidant capacity and total phenolic compounds in the final product, which constitutes an improvement in its nutritional value. Finally, through organoleptic testing, the levels of acceptance of fermented chokeberry juices from either free or immobilized L. paracasei SP5 cells by consumers were evaluated as satisfactory in comparison with unfermented juice, as well as commercial chokeberry juice at all studied time intervals. More obvious results, regarding the organoleptic character of the examined fermented aronia juices, were obtained from their composition in volatile by-products, which were determined by solid phase microextraction (SPME) and gas chromatography/mass spectroscopy (GC/MS. In particular, the fermented juices retained a high percentage of desirable volatile compounds indicating an improvement in the organoleptic characteristics for the final product

Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής εξετάστηκε η παραγωγή καινοτόμου λειτουργικού ροφήματος μέσω γαλακτικής ζύμωσης χυμού αρώνιας με το δυνητικά προβιοτικό στέλεχος L. paracasei SP5, το οποίο είχε προηγουμένως απομονωθεί από γαλακτοκομικά προϊόντα και κεφίρ. Ο μικροοργανισμός ήταν καλλιεργημένος στο Εργαστήριο Μικροβιολογίας, Βιοτεχνολογίας και Υγιεινής του Τμήματος Αγροτικής Ανάπτυξης του ΔΠΘ. Χρησιμοποιήθηκε είτε σε ελεύθερη ή/ και ακινητοποιημένη μορφή σε πρεβιοτικά υποστρώματα όπως απολιγνινοποιημένο πίτουρο σιταριού και φλούδα πορτοκαλιού, όπου και αξιολογήθηκαν οι βιοκαταλύτες αυτών ως προς τη βιωσιμότητα και τη ζυμωτική τους ικανότητα. Αρχικά μετρήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ζύμωσης του L. paracasei SP5 στο χυμό, όπως η κατάλληλη θερμοκρασία και η περιεκτικότητα συγκέντρωσης του. Για τη συνέχεια των πειραμάτων επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ζύμωσης, ο συνδυασμός των οποίων οδήγησε στην υψηλότερη τιμή βιωσιμότητας του L. paracasei SP5. Στη συνέχεια, διενεργήθηκαν μικροβιολογικές αναλύσεις και ελέγχθηκε η βιωσιμότητα των μικροοργανισμών κατά την διάρκεια 48ωρης ζύμωσης και ψυχρής αποθήκευσης των χυμών για 4 εβδομάδες, καθώς και η επιμόλυνσή τους από ζύμες και μύκητες. Να σημειωθεί πως για κάθε περίπτωση ζύμωσης διενεργήθηκαν και φυσικοχημικές αναλύσεις όπως ο προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε ολικά φαινολικά συστατικά με τη μέθοδο Folin-Ciocalteau, προσδιορισμός σακχάρων (γλυκόζη, φρουκτόζη και σορβιτόλη), οργανικών οξέων (γαλακτικό οξύ, μηλικό οξύ και οξικό οξύ) και της αιθανόλης με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (High Performance Liquid Chromatography - HPLC), προσδιορισμός της αντιοξειδωτικής ικανότητας με τη μέθοδο FRAP (ferric reducing antioxidant power) και τη μέθοδο α-TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity), προσδιορισμός πτητικών ενώσεων με μικροεκχύλιση στερεάς φάσης (SPME) και αέρια χρωματογραφία/φασματοσκοπία μάζας (GC/MS). Τα αποτελέσματα των παραπάνω πειραμάτων ήταν πολύ ενθαρρυντικά, καθώς έδειξαν ότι η ζύμωση του χυμού αρώνιας από το δυνητικά προβιοτικό στέλεχος L. paracasei SP5 μπορεί να αποφέρει ένα λειτουργικό ρόφημα με μεγάλη αντιοξειδωτική ικανότητα ακόμα και μετά από 4 εβδομάδες αποθήκευσης μετά τη ζύμωση του. Ειδικότερα, το συγκεκριμένο στέλεχος έδειξε υψηλή απόδοση αναφορικά με τη ζυμωτική του ικανότητα σε ένα όχι και τόσο φιλικό υπόστρωμα, όπως είναι ο χυμός αρώνιας, κυρίως λόγω χαμηλού pH. Αυτός ήταν και ο κυριότερος λόγος που εξετάστηκε η εφαρμογή της ακινητοποίησης με τη χρήση 2 υποστρωμάτων (πίτουρο σίτου και φλούδας πορτοκαλιού), ώστε να υποβοηθηθεί περαιτέρω η βιωσιμότητα και η ζυμωτική ικανότητα του L. paracasei SP5 και να βελτιωθεί η ποιότητα του ζυμωμένου χυμού. Πράγματι, η χρήση φλούδας πορτοκαλιού και απολιγνινοποιημένου πίτουρου σίτου ως υποστρώματα για την ακινητοποίηση του L. paracasei SP5 ενίσχυσε τη γαλακτική ζύμωση του χυμού αρώνιας σε σύγκριση με τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν με τα ελεύθερα κύτταρα, αναφορικά με τις τελικές συγκεντρώσεις του γαλακτικού οξέος. Επιπρόσθετα, η εφαρμογή της ακινητοποίησης οδήγησε σε αυξημένα επίπεδα αντιοξειδωτικήςικανότητας και ολικών φαινολικών συστατικών στο τελικό προϊόν, το οποίο συνιστά βελτίωση της διατροφικής αξίας του. Τέλος, μέσω οργανοληπτικού ελέγχου αξιολογήθηκαν ως ικανοποιητικά τα επίπεδα αποδοχής των ζυμωμένων χυμών αρώνιας είτε από ελεύθερα είτε από ακινητοποιημένα κύτταρα L. paracasei SP5 από τους καταναλωτές σε σύγκριση με αζύμωτο χυμό, αλλά και εμπορικό χυμό αρώνιας σε όλα τα μελετημένα χρονικά διαστήματα. Πιο εμφανή αποτελέσματα, αναφορικά με τον οργανοληπτικό χαρακτήρα των εξεταζόμενων ζυμωμένων χυμών αρώνιας αποκομίστηκαν από την σύστασή τους σε πτητικά παραπροϊόντα, τα οποία προσδιορίστηκαν με μικροεκχύλιση στερεάς φάσης (SPME) και αέρια χρωματογραφία / φασματοσκοπία μάζας (GC/MS). Ειδικότερα, οι χυμοί που έχουν υποστεί ζύμωση διατήρησαν ένα υψηλό ποσοστό επιθυμητών πτητικών ενώσεων που υποδηλώνουν βελτίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών για το τελικό προϊόν.