DEVELOPMENT OF A MIXT STARTER CULTURE FOR CASSAVA TUBERS BIOCONVERSION
MISE AU POINT D'UN FERMENT MIXTE DESTINE A LA BIOCONVERSION DES TUBERCULES DE MANIOC CYANOGENE
Résumé
Cassava (Manihot esculenta crantz) roots serve as food for more than 800 million people in the tropics. Despite this useful application, two drawbacks limit the utilisation of these roots as human food: These are its low protein content and potential cyanide toxicity. Traditional processing methods used by people in the rural areas to reduce these bottlenecks, always include a typical step of fermentation witch occurs spontaneously. This natural fermentation is plagued with many problems related to its dependence on the chance of inoculation from the environment. These problems include high levels of residual cyanide (100 to 170ppm), long softening time (4 to 5 days), non-reproducible quality and unhygienic products. To solve these problems, about one hundred microorganisms were isolated from dried fermented cassava tubers, on the basis of their ability to produce ?-glucosidase, ?-amylase, pectin hydrolase and polygalacturonase. These enzymes are involved in biochemical and physicochemical phenomena, which occur in cassava natural fermentation and are responsible for the degradation of cyanide compounds and tuber softening by degrading pectin, which constitutes the major part of cassava cell wall. Among these isolates 60% were identified as ?-amylase producers, 46% as ?-glucosidase producers, and 36% pectinase producers.
The ability of these selected microorganisms to produce enzymes was screened. Among the isolates, two microorganisms were found to be particularly interesting: lactic acid bacteria identified as Lactobacillus plantarum, showing ?-amylase activity of 17000±100UE/ml, and ß-glucosidase activity of 2000±300µmol CN-/mn; a mould identified as Rhizopus oryzae with an ?-amylase activity of 20000±500UE/ml and pectinhydrolase activity of 2,3±0,2 µmol COO-/mn/mg. These strains were selected and used as starter culture for cassava fermentation. The use of these strains as a mix starter culture (106fuc/g fresh cassava tubers of Lactobacillus plantarum and 103spores/g fresh cassava tubers of Rhizopus oryzae) for cassava retting rapidly softened the roots (12±3mm/5s after 48 hours of retting), and induced a rapid decrease in pH (3,5 after 24 hours of fermentation). However, natural fermentation was found to reduce more cyanide than starter fermentation. The rapid acidification observed with starter fermentation was found to be responsible of this low cyanide degrading activity by starter strains as low pH stops the reaction at the cyanohydrins step.
Studies on the effect of environment on starter strains show that Lactobacillus plantarum's optimal growth temperature was 40±5°C for an optimal pH of 6, while Rhizopus oryzae show an optimal growth temperature of 30±7°C for an optimal pH of 5. These strains also showed a good growth rate on Law et al., cassava medium (CTM).
With the aim of large-scale utilization of this starter culture, the microorganisms were tested for their ability to withstand drying conditions. Survival of Lactobacillus plantarum and Rhizopus oryzae after drying was determined under various support conditions. The support constituting starch and glycerol as protectants was found to be the best with more than 75±5% survivors after drying at 35°C under a hot air flow of 10 m3/h. The use of the dried mix starter for cassava retting permit the reduction of the total cyanide content by about 95?4%, as NaOH were added after 24 hours of fermentation to enable a drop in the pH level to 5. This enabled us to solve the bad effect of low pH on cyanide reduction observed by the fermentation of tubers using mixed starter cultures.
The ability of these selected microorganisms to produce enzymes was screened. Among the isolates, two microorganisms were found to be particularly interesting: lactic acid bacteria identified as Lactobacillus plantarum, showing ?-amylase activity of 17000±100UE/ml, and ß-glucosidase activity of 2000±300µmol CN-/mn; a mould identified as Rhizopus oryzae with an ?-amylase activity of 20000±500UE/ml and pectinhydrolase activity of 2,3±0,2 µmol COO-/mn/mg. These strains were selected and used as starter culture for cassava fermentation. The use of these strains as a mix starter culture (106fuc/g fresh cassava tubers of Lactobacillus plantarum and 103spores/g fresh cassava tubers of Rhizopus oryzae) for cassava retting rapidly softened the roots (12±3mm/5s after 48 hours of retting), and induced a rapid decrease in pH (3,5 after 24 hours of fermentation). However, natural fermentation was found to reduce more cyanide than starter fermentation. The rapid acidification observed with starter fermentation was found to be responsible of this low cyanide degrading activity by starter strains as low pH stops the reaction at the cyanohydrins step.
Studies on the effect of environment on starter strains show that Lactobacillus plantarum's optimal growth temperature was 40±5°C for an optimal pH of 6, while Rhizopus oryzae show an optimal growth temperature of 30±7°C for an optimal pH of 5. These strains also showed a good growth rate on Law et al., cassava medium (CTM).
With the aim of large-scale utilization of this starter culture, the microorganisms were tested for their ability to withstand drying conditions. Survival of Lactobacillus plantarum and Rhizopus oryzae after drying was determined under various support conditions. The support constituting starch and glycerol as protectants was found to be the best with more than 75±5% survivors after drying at 35°C under a hot air flow of 10 m3/h. The use of the dried mix starter for cassava retting permit the reduction of the total cyanide content by about 95?4%, as NaOH were added after 24 hours of fermentation to enable a drop in the pH level to 5. This enabled us to solve the bad effect of low pH on cyanide reduction observed by the fermentation of tubers using mixed starter cultures.
Le manioc (Manihot esculenta Crantz) est une plante, dont les tubercules servent de nourriture de base pour près de 800 millions de personnes sous les tropiques. Malgré sont importance, ce tubercule présente deux inconvénients majeurs qui limitent leur utilisation en alimentation humaine : Une toxicité liée à la présence de composés cyanés, et une faible teneur en protéines. Dans l'optique de lever ces contraintes, plusieurs procédés de transformation ont étés mis au point par l'expérience des populations et des améliorations ont été apportées par la recherche. La plupart de ces procédés incluent une étape critique de fermentation spontanée. Cette étape présente quelques problèmes dus à sa dépendance vis à vis des microorganismes épiphytes. Ces problèmes sont notamment la présence de quantités résiduelles de composés cyanés non négligeables (100 à 170ppm) un temps de ramollissement très long (4 à 5 jours) et des produits dérivés de qualités nutritionnelles et hygiéniques douteuses. Dans l'optique d'améliorer ces procédés traditionnels de rouissage du manioc cyanogène, une centaine de microorganismes ont été isolés des cossettes de manioc séché, sur la base de leurs potentialités à produire la β-glucosidase, l'α-amylase, la pectine hydrolase et la polygalacturonase. Ces enzymes sont les plus impliqués dans les phénomènes biochimiques et physico-chimiques ayant lieu au cours du rouissage du manioc. Ils sont responsables de la dégradation des composés cyanés et du ramollissement des tubercules par dégradation des pectines qui constituent le squelette du tubercule. 60% des microorganismes isolés et identifiés ont été productrices d'α-amylases, 46% de β-glucosidase, et 36%de pectinases. Les capacités des différentes souches sélectionnées à produire ces principaux enzymes, ont ensuite été évaluées. Parmi ces microorganismes, deux se sont avérés particulièrement intéressantes : Une souche de bactérie lactique identifiée comme étant Lactobacillus plantarum avec une activité α-amylase de l'ordre de 17000±100UE/ml, et une activité ß-glucosidase de 2000±300µmol CN-/mn; Une moisissure identifiée comme étant Rhizopus oryzae à activité α-amylase de 20000±500UE/ml et activité pectine hydrolase de 2,3±0,2 µmol COO-/mn/mg. Ces deux souches ont été sélectionnées et utilisées comme ferments en culture mixte avec une biomasse initiale de 106ufc/g manioc frais de Lactobacillus plantarum et 103spores/g manioc frais de Rhizopus oryzae pour la fermentation des tubercules de manioc. Les résultats obtenus ont indiqué une acidification rapide avec un pH avoisinant 3,5±1 après 24 heures de rouissage, un ramollissement plus rapide (12±3mm/5s après 48 heures de rouissage). Mais le rouissage naturel s'est avéré meilleur du point de vue dégradation des composés cyanés. En effet la très forte acidification obtenue avec le ferment dès la 24eme heure, a provoqué un blocage du processus de dégradation des glucosides cyanogénétiques au niveau de la cyanohydrine, composé par ailleurs aussi toxique que l'acide cyanhydrique. Une étude de l'influence de quelques paramètres externes nous ont permis de noter que la température optimale de croissance de Lactobacillus plantarum était de 40±5°C pour un pH optimal de 6 alors que Rhizopus oryzae avait une température optimale de croissance à 30±7°C et un pH optimal de 5. Les essais de production de biomasses, indiquent que le meilleur milieu de multiplication des germes s'est avéré être le milieu CTM de Law et al., avec pour substrat de la farine de son de manioc mélangée au milieu nutritif de Meyer.
Dans l'optique de mettre à la disposition des populations ce ferment, des essais de conservation des souches par séchage ont indiqué que le fluide de protection indiqué pour avoir des taux de survies acceptables au terme du séchage était le glycérol, alors que le support le plus adapté a été l'amidon de manioc. On a ainsi obtenu plus de 75±5% de survivants après séchage sur lit convectif à une température de 35°C sous un débit d'air de 10 m3/h pour tous les deux germes. Ce ferment composé de Lactobacillus plantarum (106ufc/g) et Rhizopus oryzae (103spores/g), sur support amidon a induit contrairement aux microorganismes frais, une diminution effective du taux de glucosides totaux résiduels (5% en fin de rouissage) diminution corollaire à l'ajout du NaOH réalisé après la 24ème heure, afin de contourner l'effet néfaste du pH acide sur la dégradation de la cyanohydrine.
Dans l'optique de mettre à la disposition des populations ce ferment, des essais de conservation des souches par séchage ont indiqué que le fluide de protection indiqué pour avoir des taux de survies acceptables au terme du séchage était le glycérol, alors que le support le plus adapté a été l'amidon de manioc. On a ainsi obtenu plus de 75±5% de survivants après séchage sur lit convectif à une température de 35°C sous un débit d'air de 10 m3/h pour tous les deux germes. Ce ferment composé de Lactobacillus plantarum (106ufc/g) et Rhizopus oryzae (103spores/g), sur support amidon a induit contrairement aux microorganismes frais, une diminution effective du taux de glucosides totaux résiduels (5% en fin de rouissage) diminution corollaire à l'ajout du NaOH réalisé après la 24ème heure, afin de contourner l'effet néfaste du pH acide sur la dégradation de la cyanohydrine.
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