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Theses Year : 2022

Improving the cryo-resistance of a lactic acid bacterium by modulating fermentation and stabilization conditions : consequences on the properties of the lipid membrane

Amélioration de la cryo-résistance d'une bactérie lactique en modulant les conditions de fermentation et de stabilisation : conséquences sur les propriétés de la membrane lipidique

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Abstract

Lactic acid bacteria (LAB) are widely used to produce a variety of fermented and functional foods. On an industrial scale, LAB are produced and stabilized by freezing and freeze-drying. Depending on the strain, these cryopreservation processes lead to more or less significant degradation of their functional properties. Consequently, some LAB strains, such as L. bulgaricus CFL1, remain unexploited on an industrial scale. Different strategies exist to limit this degradation: the first one consists of modifying the fermentation conditions at the expense of the quantity produced, and the second strategy consists of adding a sugar solution.In this context, L. bulgaricus CFL1, a strain sensitive to cryopreservation, was used as a model lactic acid bacterium. This thesis aimed at identifying the fermentation condition that improved the resistance of L. bulgaricus CFL1 by implementing two strategies and analyzing their effects on the cell membrane, identified as the primary site of damage. The first strategy was to optimize the fermentation conditions to achieve a compromise between fair biomass production and high resistance to freezing and freeze-drying, using multi-objective optimization. There is no unique fermentation condition that satisfied both the biomass and functional properties requirements. Fermentation conditions had to be adapted to the chosen stabilization process.Each of these fermentation conditions impacted the lipid membrane's properties, which were then related to the cryopreservation properties of the bacteria. Here, the membrane characteristics depended on the stabilization process. For enhanced freezing resistance, fermentation conditions that generated more unsaturated fatty acids and a more fluid membrane were beneficial. For freeze-drying, conditions that favored cyclic fatty acid production contributed significantly to maintaining functional properties.The second strategy involved the selection of a protective sugar solution among glucose molecules of different degrees of polymerization. The results showed that the optimal choice of sugar depended on the stabilization processes.Therefore, this thesis project opens up new approaches for producing LAB: 1) outside the optimal production conditions of a bacterium, some conditions are slightly less productive but very beneficial for the maintenance of their functional properties. Thus, the choice of the stabilization process should be made upstream to target the appropriate fermentation conditions and protective sugar solution. 2) The formation of unsaturated or cyclic fatty acids in the membrane lipids will help preserve the bacterium from the damage occurring during freezing and freeze-drying.
Les Bactéries Lactiques (BL) sont largement utilisées pour produire une diversité d'aliments fermentés et fonctionnels. À l'échelle industrielle, les BL sont produites et stabilisées par congélation et lyophilisation. Selon les souches, ces procédés de cryoconservation conduisent à la dégradation plus ou moins importante de leurs propriétés fonctionnelles. Ainsi, certaines souches de BL, comme L. bulgaricus CFL1, restent inexploitées à l'échelle industrielle. Différentes stratégies existent pour limiter cette dégradation : la première consiste à modifier les conditions de fermentation mais au détriment de la quantité produite, la deuxième stratégie consiste à ajouter une solution de sucre.Dans ce contexte, L. bulgaricus CFL1, une souche sensible à la cryoconservation, a été utilisée comme modèle de bactérie lactique. Ce travail de thèse visait à identifier les conditions d’amélioration de la résistance de L. bulgaricus CFL1, en mettant en œuvre les deux stratégies et en analysant leurs effets sur la membrane cellulaire, reconnue comme le site primaire de dommages. La première stratégie a consisté à optimiser les conditions de fermentation afin d'obtenir un compromis entre une bonne production de biomasse et une résistance élevée à la congélation et à la lyophilisation, à l’aide de l’optimisation multi objectif. Il en ressort qu’il n’y a pas de conditions de fermentation uniques pour satisfaire à la fois à l’exigence de biomasse et propriétés fonctionnelles mais que celles-ci doivent être adaptées au procédé de stabilisation choisie.Chacune de ces conditions de fermentation a eu un impact sur les propriétés de la membrane lipidique, qui ont alors été reliées aux propriétés de cryo-préservation de la bactérie. Pour la résistance à la congélation, ce sont les conditions de fermentation qui génèrent le plus d’acides gras insaturés et une membrane plus fluide qui sont bénéfiques. Pour la lyophilisation, les conditions favorisant la production d’ acides gras cycliques contribuent significativement maintien des propriétés fonctionnellesLa deuxième stratégie a impliqué la sélection d’une solution protectrice de sucre, parmi des molécules de glucose de différents degrés de polymérisation. Les résultats ont montré que le choix optimal du sucre dépendait des procédés de stabilisation.Ce projet de thèse ouvre donc de nouvelles approches pour la production de BL: 1) en dehors des conditions optimales de production d’une bactérie, existent des conditions un peu moins productrices mais très bénéfiques pour le maintien de leurs propriétés biologiques. Ainsi, le choix du procédé de stabilisation est à réaliser en amont pour cibler les bonnes conditions de fermentation et la solution protectrice de sucre la mieux adaptée. 2) Favoriser la formation d’acides gras instaurés ou cycliques portés par les lipides membranaires contribuera à préserver la bactérie des dommages liées à la congélation et à la lyophilisation.
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tel-03942745 , version 1 (17-01-2023)

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Cite

Maria de Lourdes Tovilla Coutino. Improving the cryo-resistance of a lactic acid bacterium by modulating fermentation and stabilization conditions : consequences on the properties of the lipid membrane. Food and Nutrition. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASB057⟩. ⟨tel-03942745⟩
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