Valorization of edible plant by-products by fermentation for the production of added value compounds
Valorisation de sous-produits végétaux par fermentation pour la production de composés à valeur ajoutée : Production d’acide L-lactique par fermentation de pulpe de carottes
Résumé
Sustainable development and waste management issues are increasingly being considered in our societies. In this context, it is necessary to develop research to enrich scientific knowledge and enabling the development of efficient valorisation systems. Among the valorisation ways for the recycling of plant by-products from the food industry, fermentation can be used for the production of value-added compounds. My Ph D thesis project was carried out with the support of five food companies who wish to investigate specific valorisation routes for their by-products: Charles et Alice, Florette, Panzani, Philibert Savours and Pierre Martinet. The corresponding by-products are apple skins, salad peelings, wheat bran, wheat germ sourdough, and carrot pulp, respectively. First, matrix-specific physico-chemical (pH, water content, water activity (aW)), biochemical (nitrogen fractions, titratable acidity), and biological (microbial flora of the raw products) characteristics were determined. Coupled with spontaneous fermentation trials, the results enabled the selection of carrot pulp as a reference matrix, for further experiments. Incubation parameters of the spontaneous fermentation of carrot pulp were then varied according to a factorial experimental design. The results made it possible to select the fermentation conditions for the other four by-products. Acidity measurements (pH and titratable acidity) and monitoring of microbial flora over time showed the fermentability of by-products. For carrot pulp, the selected culture parameters (grinding of raw material, temperature, percentage of water and refreshments) and the levels set did not favour the production of molecules of interest among those monitored: phenolic compounds, organic acids, and volatile compounds. A screening allowed to isolate a L-lactic acid producing Lactobacillus strain from carrot pulp. The selected Lactobacillus paracasei A1L strain showed its ability to produce L-lactic acid in higher quantities than in spontaneous fermentation, however this concentration remains too low for an industrial application (maximum quantity produced = 0,974 g/L). Trials built according to a D-optimal experimental design tested the effect of temperature, pH, enzyme addition (hemicellulase and protease) and inoculum load. The results show that L-lactic acid production is favoured at a temperature of 25°C, an initial pH of 8, and a 10E+8 CFU/mL amount of microorganisms inoculated. The knowledge acquired on the dynamics of spontaneous fermentation or fermentation after inoculation, are elements that will allow to adapt the fermentation conditions in the future
Les enjeux de développement durable et de gestion des déchets sont de plus en plus considérés dans nos sociétés. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des recherches dans le but d’enrichir les connaissances scientifiques, et permettre de développer des systèmes de valorisation efficients. Parmi les voies de valorisation pour le recyclage des sous-produits végétaux, issus de l’industrie agroalimentaire, la fermentation peut être utilisée pour la production de métabolites à valeur ajoutée. Le projet dans le cadre duquel j’ai préparé ma thèse a été mené avec l’appui de cinq industriels du secteur agroalimentaire qui souhaitaient travailler sur la valorisation spécifique de leurs sous-produits végétaux : Charles et Alice, Florette, Panzani, Philibert Savours et Pierre Martinet. Les sous-produits associés sont respectivement des peaux de pommes, des épluchures de salades, du son de blé, du levain de germe de blé et de la pulpe de carottes. Dans un premier temps, des caractéristiques physico-chimiques (pH, teneur en eau, aw), biochimiques (acidité titrable, fractions azotées), et biologiques (flores microbiennes des produits bruts) de chacune de ces 5 matrices ont été déterminées. Couplé à des essais de fermentation spontanée, les résultats ont dans un premier temps permis de sélectionner une matrice de référence, la pulpe de carottes. La fermentation spontanée des sous-produits a été étudiée en faisant varier les paramètres d’incubation, selon un plan d’expérience factoriel, pour la matrice modèle. Les observations réalisées ont permis de sélectionner les conditions de fermentation des quatre autres sous-produits. Les mesures d’acidité (pH et acidité titrable) et le suivi de flores microbiennes au cours du temps ont montré la fermentescibilité des sous-produits. Pour la pulpe de carotte, les paramètres de culture choisis (broyage, température, pourcentage d’eau et rafraîchis) et les niveaux fixés, n’ont pas permis de favoriser la production de molécules d’intérêt parmi celles suivies : les composés phénoliques, les acides organiques et les composés volatils. En accord avec les partenaires du projet, la troisième partie avait pour objectif de sélectionner une souche de Lactobacillus, à partir de la matrice modèle, pour produire de l’acide L-lactique. La souche de Lactobacillus paracasei A1L sélectionnée a montré sa capacité à produire de l’acide L-lactique dans des quantités plus importantes qu’en fermentation spontanée, bien que celles-ci restent faibles pour envisager une application industrielle (quantité maximale produite = 0,974 g/L). Les essais réalisés selon un plan d’expérience D-optimal ont permis d’évaluer les effets de la température, du pH, de l’ajout d’enzymes (hémicellulase et protéase) et du taux d’ensemencement. Les résultats montrent que la production d’acide L-lactique est favorisée à une température de 25°C, un pH initial de 8 et une quantité de microorganismes ensemencée de 10E+8 UFC/mL. Au terme du projet, les connaissances acquises sur les dynamiques de fermentation, spontanée ou dirigée, sont des éléments qui permettront d’adapter les conditions de fermentation
Origine : Version validée par le jury (STAR)