BIOTECNOLOGIA DELL'ACETO: NUOVI STRUMENTI A SUPPORTO DELLA RICERCA INDUSTRIALE

Acetic acid bacteria (AAB) are versatile organisms converting a number of carbon sources into biomolecules of industrial interest. Such properties make them suitable organisms for food, chemical, medical, pharmaceutical and engineering applications. At current, well-established bioprocesses by AAB are those derived from the oxidative pathway that lead to organic acids synthesis, such as acetic acid and gluconic acid and ketones. Currently, foods and beverages with healthy and functional properties, especially those that claim to prevent chronic diseases, are receiving more and more interest. Among the products with enhanced properties, vinegar and non-alcoholic fermented beverages have a high potential for growth. The current trend to produce fermented beverages and vinegar, including from lesser known fruits and vegetables, fits with consumers’ demand for a healthier and more sustainable diet. Moreover, health-based recommendations include reducing alcohol consumption, calories from added sugars and limiting the consumption of foods that contain refined grains, especially those with high amounts of added sugars and sodium. Fruits are optimal substrates for microbial transformations intended to produce non-alcoholic beverages and vinegars, due to their high amount of sugar and fermentative feasibility. Aside from conventional fruits exploited for non-alcoholic beverages and vinegars, there is great interest in the valorisation of unconventional ones, contributing to open up new opportunities for reducing food loss and satisfying new market demand. Yeasts and AAB are cooperative microorganisms which, through selective fermentations, can promote the valorisation of fruits by alcoholic fermentation followed by acetic fermentation for producing vinegar and low acetic beverages. Furthermore AAB, in a single fermentation step, can provide gluconic acid from glucose oxidation. This latter metabolic pathway can be exploited for producing new non-alcoholic beverages. The production of both acetic and gluconic acid is a common feature of AAB belonging to Acetobacter, Gluconacetobacter, and Komagataeibacter genera. The research developed in the frame of this PhD project included two main activities: build up the state of the art on fermented vinegars produced from non-conventional raw materials, and evaluate fermentation capacity of fruits and qualitative characteristics of the products obtained. Laboratory and prototypal experiments were conducted at UMCC (Unimore Microbial Culture Collection) laboratory and Ponti S.p.A. Company, respectively. Date juice was chosen as raw material to develop controlled fermentations aimed at producing acetic beverages and vinegars at different acetic acid content, both in static and submerged systems. Another interesting part of the research included the evaluation of currant, blackberry and raspberry juices regarding their aptitude to undergo a gluconic fermentation. These outputs offer the chance to valorise juices by selective fermentations, contributing to development of sustainable bioprocesses and obtaining non-alcoholic drinks with a low acid content. Furthermore, total phenolic compounds and antioxidant activity of vinegar samples produced from juices and fruits was evaluated in order to acquire information on the influence of the kinetics / fermentation regime. Finally, the microflora present at different conditions during industrial vinegar production was studied to the aim to correlate the fermentation parameters to the microbial species.

I batteri acetici (BA) sono organismi versatili che convertono una serie di fonti di carbonio in biomolecole di interesse industriale. Tali proprietà li rendono organismi adatti per applicazioni alimentari, chimiche, mediche, farmaceutiche e ingegneristiche. Attualmente, i bioprocessi consolidati di BA sono quelli derivati dalla via ossidativa che portano alla sintesi di acidi organici, come acido acetico e acido gluconico e chetoni. Attualmente stanno riscuotendo sempre più interesse gli alimenti e le bevande con proprietà salutari e funzionali, in particolare quelle che aiutano a prevenire le malattie croniche. Tra i prodotti, l'aceto e le bevande fermentate analcoliche hanno un alto potenziale di crescita. L'attuale tendenza a produrre bevande fermentate e aceto, anche da frutta e verdura meno conosciute, si adatta alla domanda dei consumatori di una dieta più sana e sostenibile. Inoltre, le raccomandazioni sulla salute includono la riduzione del consumo di alcol, di zuccheri aggiunti e la limitazione del consumo di alimenti che contengono cereali raffinati, in particolare quelli con elevate quantità di zuccheri aggiunti e sodio. I frutti sono substrati ottimali per le trasformazioni microbiche destinate alla produzione di bevande analcoliche e aceti, grazie alla loro elevata quantità di zucchero e alla fattibilità fermentativa. Oltre alla frutta convenzionale sfruttata per bevande analcoliche e aceti, c'è grande interesse nella valorizzazione di quella non convenzionale, contribuendo ad aprire nuove opportunità per ridurre la perdita di cibo e soddisfare la nuova domanda del mercato. Lieviti e AAB sono microrganismi cooperativi che, attraverso fermentazioni selettive, possono favorire la valorizzazione dei frutti mediante fermentazione alcolica seguita dalla fermentazione acetica per la produzione di aceto e bevande a basso contenuto acetico. Inoltre i BA, in un'unica fase di fermentazione, può fornire acido gluconico dall'ossidazione del glucosio. Quest'ultima via metabolica può essere sfruttata per produrre nuove bevande analcoliche. La produzione di acido acetico e gluconico è una caratteristica comune degli BA appartenenti ai generi Acetobacter, Gluconacetobacter e Komagataeibacter. La ricerca sviluppata nell'ambito di questo progetto di dottorato prevedeva due attività principali: costruire lo stato dell'arte sugli aceti fermentati prodotti da materie prime non convenzionali e valutare la capacità fermentativa dei frutti e le caratteristiche qualitative dei prodotti ottenuti. Esperimenti di laboratorio e prototipi sono stati condotti rispettivamente presso il laboratorio UMCC (UNIMORE Microbial Culture Collection) e la Società Ponti S.p.A.. Il succo di dattero è stato scelto come materia prima per sviluppare fermentazioni controllate finalizzate alla produzione di bevande acetiche e aceti a diverso contenuto di acido acetico, sia in sistemi statici che sommersi. Un'altra parte interessante della ricerca ha riguardato la valutazione dei succhi di ribes, mora e lampone in relazione alla loro attitudine a subire una fermentazione gluconica. Questi risultati offrono la possibilità di valorizzare i succhi mediante fermentazioni selettive, contribuendo allo sviluppo di bioprocessi sostenibili e ottenendo bevande analcoliche a basso contenuto di acidità. Inoltre sono stati valutati i composti fenolici totali e l'attività antiossidante di campioni di aceto prodotti da succhi e frutta al fine di acquisire informazioni sull'influenza del regime cinetico/fermentativo. Infine, è stata studiata la microflora presente a diverse condizioni durante la produzione di aceto industriale allo scopo di correlare i parametri di fermentazione alle specie microbiche.