Academic literature on the topic 'Fermentazion of food'

Le verdure a foglia indigene africane (AILV) fanno parte della flora del sub-Sahara e sono in grado di prosperare in condizioni di scarsità di acqua e nutrienti. Le AILV rappresentano una preziosa fonte di nutrimento, in quanto ricche di fibre, vitamine e sali minerali. Dalla coltivazione al consumo, diverse specie di microorganismi interagiscono con le AILV. I microrganismi del suolo e della fillosfera delle AILV possono influire sulla salute delle piante e del consumatore. I parametri della diversità microbica e la relativa attività enzimatica sono strettamente correlati alla fertilità del suolo. Mentre, la presenza di microrganismi contaminanti e potenzialmente patogeni nella fillosfera riduce la durata di conservazione della verdura. In questa tesi, è stata quindi delineata l'interazione tra AILV e microrganismi. La coltivazione delle AILV è risultata legata a cambiamenti nelle comunità microbiche del suolo e all'aumento delle attività enzimatiche. Inoltre, la modulazione del microbiota della fillosfera utilizzando sale e saccarosio ha innescato la proliferazione di batteri acido-lattici e fermentatori e ha limitato la proliferazione dei microrganismi di deterioramento. I risultati hanno quindi dimostrato che la coltivazione delle AILVs potrebbe limitare l'erosione del suolo se avviene seguendo buone pratiche agricole. Inoltre, la crescita dei batteri di deterioramento può venire ostacolata utilizzando la fermentazione naturale che coinvolge strumenti poco costosi e conservanti accessibili. Perciò le AILV hanno un ruolo importante nel mantenimento della biodiversità e la popolazione sub-sahariana potrebbe giovare dalla loro conservazione prolungata, in quanto fonte di nutrienti importanti.
African indigenous leafy vegetables (AILVs) are part of the sub-Saharan flora, thriving in water and nutrient scarcity. Moreover, AILVs are rich in macro- and micro-nutrients, representing a precious source of nourishment. From cultivation to consumption, microorganisms interact with AILVs, sorting different effects. AILVs’ soil and phyllosphere microorganisms can have an impact on plants and consumers’ health. Soil fertility is strictly correlated to microbial diversity and enzymatic activity. While, the presence of spoilage and potentially pathogenic microorganisms in the phyllosphere reduces the shelf-life of the commodity. In this thesis, the interaction between AILVs and microorganisms has been outlined. AILVs cultivation resulted linked to shifts in soil microbial communities and increased enzymatic activities. Moreover, the modulation of phyllosphere microbiota using salt and sucrose triggered the proliferation of lactic acid fermenting bacteria that curbed the proliferation of spoilage microorganisms. The outcomes thus underlined how AILVs cultivation coupled with good agricultural practices could limit soil erosion. Secondly, the growth of spoilage bacteria can be hindered using natural fermentation that involves inexpensive tools and affordable preservatives. Hence, AILVs have an important role in maintaining biodiversity and their preservation can ensure a nutrient food source for the sub-Saharan population.

La fermentazione è uno dei metodi più antichi utilizzati nella conservazione degli alimenti, caratterizzata da una conversione lenta dei composti organici mediata da microrganismi o enzimi di origine vegetale o animale. I cibi fermentati sono fortemente legati alla cultura e alla tradizione di un paese soprattutto nelle aree rurali. Il processo fermentativo migliora il valore nutrizionale degli alimenti, le caratteristiche organolettiche, l’accettabilità e l’appetibilità per i consumatori e prolunga la shelf life dei prodotti stessi. Il presente lavoro di Dottorato di Ricerca ha avuto l’obiettivo di caratterizzare il profilo chimico-fisico e sensoriale e di valutare la diversità e la dinamica microbica di prodotti fermentati tradizionali (formaggio Caciofiore della Sibilla e salame tipo Fabriano) e prodotti fermentati innovativi (bevande fermentate analcoliche sperimentali e pane prodotto con impasti acidi di tipo II). In dettaglio, per il formaggio Caciofiore della Sibilla è stato valutato l’impatto del coagulante vegetale ottenuto da Carlina acanthifolia All. subsp. acanthifolia sulla dinamica e la diversità microbica attraverso un approccio polifasico basato su tecniche cultura-indipendenti e tecniche cultura-dipendenti. Analogamente, per i salami tipo Fabriano l'impatto della concentrazione dei nitrati e dei nitriti sulla dinamica delle comunità batteriche metabolicamente attive è stato valutato mediante approccio polifasico basato sull'analisi del cDNA. Il pane prodotto su scala di laboratorio, utilizzando farine di grano tenero di tipo 2 e impasto acido di tipo II è stato analizzato da un punto di vista chimico-fisico, sensoriale e microbiologico. Infine, tre bevande sperimentali fermentate non alcoliche a base di riso rosso, grano saraceno e orzo sono state prodotte attraverso fermentazione guidata da specie selezionate di batteri lattici e caratterizzate mediante analisi microbiologiche, chimico-fisiche e sensoriali.
Fermentation is one of the oldest biotechnological approaches used in food conservation; it consists of a conversion of organic compounds by enzymes of microbial, plant or animal origin. Fermented foods are strongly linked to culture and tradition, especially in rural areas. They are characterized by improved nutritional value, organoleptic properties, acceptability and palatability for consumers as well as by an extended shelf life. The aim of this PhD research was to investigate the microbial diversity and dynamics of both traditional (Caciofiore della Sibilla cheese and Fabriano-like sausage) and innovative fermented foods (yogurt-like beverages and bread produced with type II sourdough) and to characterize these products for their physical-chemical and sensory profile. More specifically, the impact of an unexplored milk coagulant obtained from Carlina acanthifolia All. subsp. acanthifolia on the microbial dynamics and diversity of Caciofiore della Sibilla cheese was investigated by a polyphasic molecular approach based on culture-dependent and DNA-based techniques. The impact of nitrates and nitrites on the dynamics of metabolically active bacterial communities of a Fabriano-like sausage was also evaluated by cDNA analysis by using a polyphasic molecular approach. Moreover, experimental breads produced at a laboratory scale with type 2 soft wheat flours and type II sourdoughs were analysed to evaluate the microbial dynamics during leavening, as well as their physical-chemical and sensory traits. In the final part of thesis, non-alcoholic yogurt-like beverages were first produced at laboratory scale using three different cereal-based substrates (red rice, buckwheat and barley) and selected strains of lactic acid bacteria (LAB), and further subjected to microbiological, physical-chemical and sensory analyses.

Circa l’1% della popolazione mondiale è colpita da celiachia. I celiaci sono costretti a seguire una dieta priva di glutine e molto spesso quest’ultima risulta essere sbilanciata e/o carente in molti nutrienti. Recentemente, l’uso di matrici alternative al frumento, come pseudocereali, legumi e cultivar di riso pigmentate sta riscuotendo grande interesse a causa del loro elevato quantitativo di composti bioattivi (polifenoli). Quindi, considerando l’importanza attuale dei polifenoli sia nella formulazione tecnologica che nella promozione di aspetti salutistici degli alimenti senza glutine, lo scopo di questa tesi è stata basata su: 1) profilazione dei polifenoli in matrici prive di glutine (farine non di frumento, legumi, pseudocereali e frutta secca) e loro proprietà antiossidanti in vitro; 2) valutazione dell’impatto di trattamenti termici e di fermentazioni microbiche sul profilo fenolico di queste matrici prive di glutine; 3) valutazione del ruolo dei polifenoli come inibitori degli enzimi amilolitici; e 4) valutazione del destino dei polifenoli caratterizzanti alimenti senza glutine durante processi in vitro simulanti digestione gastrointestinale e fermentazione fecale. I polifenoli sono stati analizzati sfruttando tecniche di metabolomica mirata/non-mirata.
Around 1% of world population is affected by coeliac disease. Coeliac people are constrained to follow a strict gluten free (GF) diet and very often this latter is unbalanced and lacks in many nutrients. In the last years, the exploitation of alternative crops or underutilized species, such as pseudocereals, legumes and pigmented cereal cultivars, is gaining interest because of their amount and profile of bioactive compounds, such as polyphenols. Therefore, considering the actual importance of polyphenols for both the formulation of GF foods and their health-promoting properties, the current PhD thesis was based on: 1) the profiling of polyphenols in GF raw materials (such as non-wheat flours, legumes, pseudocereals and nuts) and their in vitro antioxidant activities; 2) the evaluation of the impact of different heat treatments and microbial fermentations on the phenolic profile of GF raw materials; 3) the investigation of polyphenols in GF foods as inhibitors of digestive enzymes; and 4) the assessment of the fate of polyphenols characterizing GF foods during simulated in vitro gastrointestinal and fermentation processes. Polyphenols were analysed by means of targeted/untargeted metabolomics-based approaches (i.e., high resolution chromatography and mass spectrometry platforms).

Circa l’1% della popolazione mondiale è colpita da celiachia. I celiaci sono costretti a seguire una dieta priva di glutine e molto spesso quest’ultima risulta essere sbilanciata e/o carente in molti nutrienti. Recentemente, l’uso di matrici alternative al frumento, come pseudocereali, legumi e cultivar di riso pigmentate sta riscuotendo grande interesse a causa del loro elevato quantitativo di composti bioattivi (polifenoli). Quindi, considerando l’importanza attuale dei polifenoli sia nella formulazione tecnologica che nella promozione di aspetti salutistici degli alimenti senza glutine, lo scopo di questa tesi è stata basata su: 1) profilazione dei polifenoli in matrici prive di glutine (farine non di frumento, legumi, pseudocereali e frutta secca) e loro proprietà antiossidanti in vitro; 2) valutazione dell’impatto di trattamenti termici e di fermentazioni microbiche sul profilo fenolico di queste matrici prive di glutine; 3) valutazione del ruolo dei polifenoli come inibitori degli enzimi amilolitici; e 4) valutazione del destino dei polifenoli caratterizzanti alimenti senza glutine durante processi in vitro simulanti digestione gastrointestinale e fermentazione fecale. I polifenoli sono stati analizzati sfruttando tecniche di metabolomica mirata/non-mirata.
Around 1% of world population is affected by coeliac disease. Coeliac people are constrained to follow a strict gluten free (GF) diet and very often this latter is unbalanced and lacks in many nutrients. In the last years, the exploitation of alternative crops or underutilized species, such as pseudocereals, legumes and pigmented cereal cultivars, is gaining interest because of their amount and profile of bioactive compounds, such as polyphenols. Therefore, considering the actual importance of polyphenols for both the formulation of GF foods and their health-promoting properties, the current PhD thesis was based on: 1) the profiling of polyphenols in GF raw materials (such as non-wheat flours, legumes, pseudocereals and nuts) and their in vitro antioxidant activities; 2) the evaluation of the impact of different heat treatments and microbial fermentations on the phenolic profile of GF raw materials; 3) the investigation of polyphenols in GF foods as inhibitors of digestive enzymes; and 4) the assessment of the fate of polyphenols characterizing GF foods during simulated in vitro gastrointestinal and fermentation processes. Polyphenols were analysed by means of targeted/untargeted metabolomics-based approaches (i.e., high resolution chromatography and mass spectrometry platforms).

Sustainability is one of the most pressing challenge of our century, this term is becoming a main keyword of political agendas and more in general of mass media. To increase the “greenness of bioprocesses”, academia and industry, especially in the biotechnological and chemical fields, are focusing their studies with the scope to shift from traditional organic synthesis to new processes with reduced ecological foot-print. A good way to increase sustainability could be set up bioprocesses exploiting microorganisms. Nowadays, companies are searching new organisms that, differently from the well characterized Saccharomyces cerevisiae, show to be more resistant to the harsh conditions commonly occurring in industrial fermentations (high salt concentration, temperature and pressure). Due to their peculiar features, non-conventional yeasts (NCYs) seem to be a promising solution. On the other hand, the disadvantage to use these new organisms is related to the few studies and literature data available, especially compared to S. cervisiae. To fill this gap researchers have started to characterize these new species. My PhD work had dual aim: • First to identify good candidates, with specific physiological properties, that could be exploited in bioprocesses. • Second to characterize new promising enzymatic activities useful for industrial applications. In the first studies, I focused my attention on marine yeasts. I chose yeasts isolated from this environment, because their use gives the possibility to perform a seawater-based bioprocess saving large amount of fresh waters, reducing both cost and environmental impact. From our laboratory yeasts collection, I selected, for their halotolerance, two different Debaryomyces hansenii strains. Hence mechanisms involved in osmotic stress response have been investigated employing flow cytometry. I showed that hyper-osmotic stress elicits membrane depolarization and decreases membrane permeability to cationic compounds. This phenomenon reduces ions permeability and can negatively affect the uptake of charged substrate during bioprocesses. My research proceeded with the set up of new fermentation protocols in seawater-based media composed by a mixture of hexose and pentose sugar and cheap nitrogen sources. In these conditions we obtained high biomass yield (0.627) in 40 h of bioprocess. In the second part of my PhD project, I studied NCYs as sources of enzymes. With this aim I identified a nitrilase of marine strain of Meyerozyma guilliermondii, that displayed high activities on aromatic substrate, but also on arylaliphatic and aliphatic ones. These activities were maintained also in presence of high salts concentration. In particular M. guilliermondii nitrilase was able to perform complete dynamic resolution of mandelonitrile in seawaters within in 8 h. In the last part of my PhD, I identified a novel extracellular and cell-bound phytase activity in Cyberlindnera jadinii. This enzyme is suitable as feed additive, indeed activities at pH 4.5 and 37°C (animals gastric pH and temperature) were 26.25 mU/mgd.w. and 58.36 mU/mgd.w., detected as extracellular and cell-bound respectively. Phytase activities had their optimum at 50°C, reaching 37.2 mU/mgd.w. (extracellular) and 146 mU/mgd.w. (cell-bound). Data reported in my PhD work suggest that could be interest to proceed with further characterization on NCYs. New “green” bioprocesses characterized by high productivity could be a key for reach sustainability reducing the ecological impact of industrial production.

The contribute of the Analytical Chemistry in the study of complex matrices, as for instance foodstuff, is crucial. In particular the development of chromatographic methods allows to quantify important technological, microbiological and physiological markers. The ensemble of all these information furthers a deeper and higher knowledge. This Ph.D. project was designed to define the tools and evaluate the contribution of an important class of molecule on wine aroma. Grape products are really important in the cultural and dietary Italian traditions; moreover Italy is both the first producer and the first consumer around the world. Oenological products have been largely studied since the early ’70, even if the lack of biochemical and microbiological knowledge and the poor sensitivity of the analytical techniques did not allow to carry an deep study on sulfur compounds. This project, planned to bid analytical and oenological chemistry, focussed its attention on the study of sulfur compounds. Dealing with complex matrices, the first problem we had to face was the matrix effects. The overcoming of such issue or the attempts in reducing it, costs to chemical laboratory, wasting of time and money to prepare suitable internal standards. In this thesis we proposed a statistical approach based on the variance component model able to handle matrix effects. The benefits obtained by this approach definitely outweigh both the slightly worse sensitivity and uncertainty. Another topic discussed in the thesis is the definition of analytical methods to quantify sulfur compounds. This subject has been studied distinguishing sulfur compounds into two sub-groups: o fermentative sulfur compounds: molecules produced by yeast metabolisms from amino acidic precursors. o varietal sulfur compounds: molecules present in specific variety, as conjugated with cysteine and glutathione. The free forms, which are sensorially active, are released during fermentation by means of a specific enzymatic activity. This further classification was kept in the development of the analytical methods because the two classes required different sensitivity as well as metabolomics study were separated. Concerning fermentative sulfur compounds a HS-SPME/GC-MS method was optimised and validated. With this method a wide range of sulfur compounds were quantified. Such tool was applied to metabolomic studies, concerning the influence of variety, ageing, yeast strain and other technological practice on the level of 13 fermentative sulfur compounds. The results obtained from the development of the analytical method permitted to highlight the potentiality of the HS-SPME technique in sampling volatile compounds in complex matrices. This approach allows an easier and safer lab conditions, avoiding the use of organic solvents. The metabolomic studies furnished important suggestion on the influence of important oenological variables on the level of important sulfur compounds. The last topic discussed in this thesis concerns the study of varietal sulfur compounds. The lack of suitable analytical technique, sufficiently rapid and avoiding the use of mercuro-organic compounds stimulated our research in verifying the performance of headspace technique in extracting these analytes. We optimised and validated HS-SPME and purge and trap methods and finally we defined a non-parametric robust approach to compare performances from different analytical methods. Owing to the recent interest of the scientific research in trying to understand the formation and evolution of varietal sulfur compounds, we focussed our attention on their precursors. The first step was the synthesis of the putative precursors, followed by the optimisation of LC-MS/MS methods to quantify them. It was possible to identify a new precursor by LC-MS/MS experiments. Finally, by the isolation of the enzyme potentially responsible of the biosynthesis of the varietal thiols precursors, we gave a preliminary explanation of the formation of these glutathionylated precursors during grape ripening. By this project it has been possible to study and apply the newest analytical techniques available and it has been possible to define statistical procedures to overcome the most common issues in studying complex matrices. Furthermore it was clarified the contribution of an important class of molecules, such as sullfur compounds, on oenological matrices.
Il contributo della Chimica Analitica nello studio delle matrici complesse, quali ad esempio quelle alimentari, è cruciale. In particolare lo sviluppo di metodi cromatografici avanzati può permettere di dosare importanti marker tecnologici, microbiologici e fisiologici e quindi consentire un approfondimento delle attuali conoscenze. Questo lavoro è stato concepito allo scopo di definire gli strumenti per valutare il contributo di un’importante classe di molecole all’aroma dei vini. Il vino riveste un ruolo di primaria importanza nelle tradizioni culturali ed alimentari Italiane, inoltre l’Italia risulta primo produttore e primo consumatore mondiale di vino. I prodotti enologici sono stati largamente studiati fin dai primi anni ’70, anche se l’assenza di conoscenze biochimiche e microbiologiche e la mancanza di tecniche analitiche sufficientemente sensibili non ha consentito lo studio esaustivo della classe dei composti solforati. Questa tesi, nata da esigenze legate alla chimica analitica e alla chimica enologica, ha avuto come punto centrale lo studio dei composti solforati nei vini. Il primo problema che si è dovuto affrontare nello studio di matrici complesse come quelle enologiche è stato quello relativo agli effetti matrice. Il superamento o il contenimento di questo problema crea ogni giorno costi in termini di tempo e di preparazione di opportuni standard interni. In questa tesi si è proposto un metodo statistico basato sul modello a componente di varianza in grado di gestire questo problema. I vantaggi sono notevoli, a fronte di una incertezza leggermente maggiore e di una sensibilità di poco peggiorata. Altro argomento trattato è stata la definizione dei metodi analitici in grado di quantificare e quindi di studiare i composti solforati. Questa materia è stata affrontata riconoscendo una prima distinzione all’interno del gruppo degli analiti indagati: o composti solforati fermentativi: molecole derivanti dal metabolismo del lievito a partire da precursori amminoacidici o composti solforati varietali: molecole presenti in specifiche varietà come coniugati della cisteina e del glutatione e rilasciati durante la fermentazione alcolica ad opera di specifiche attività enzimatiche. Questa suddivisione è stata mantenuta anche nello sviluppo dei metodi analitici, in quanto sensibilità richieste e conseguenze metabolomiche erano anch’esse distinte. Per quanto riguarda i composti solforati fermentativi, durante il dottorato di ricerca è stato ottimizzato e validato un metodo HS-SPME/GC-MS per l’analisi di un’ampia gamma di molecole tipicamente derivanti dal metabolismo del lievito. Tale approccio è poi stato la base per studi di natura più squisitamente metabolomica in cui è stato verificato come il cultivar (i.e. la varietà), l’invecchiamento, il ceppo di lievito e altre pratiche tecnologiche potessero influenze il livello e l’evoluzione degli analiti indagati. I risultati ottenuti per quanto attiene lo sviluppo del metodo in spettrometria di massa hanno potuto confermare con la tecnica SPME con campionamento in spazio di testa sia una tecnica di elezione per l’analisi di molecole volatili. Inoltre questo approccio consente una gestione semplice ed enviromental friendly in confronto con i più obsoleti metodi di estrazione con solvente. Gli studi metabolomici hanno consentito di trarre importanti considerazioni su aspetti molto importanti nella definizione della qualità del prodotto finale. Tali risultati consentono anche una trasferibilità nei settori della ricerca applicata e dell’enologia. Come ultima classe di analiti indagati si sono studiati i composti solforati varietali. L’assenza di metodi sensibili e sufficientemente rapidi da essere applicati per studi su un numero significativo di campioni ha spinto la nostra attenzione alla verifica delle potenzialità delle tecniche in spazio di testa nel dosare queste molecole. Si sono ottimizzati e validati metodi HS-SPME e purge and trap ed è stata definita una procedura non parametrica robusta per il confronto delle performance delle diverse procedure. Visto il recente interesse della ricerca scientifica operante nel settore al controllo della formazione ed evoluzione di queste molecole, abbiamo focalizzato la nostra attenzione sui precursori dei composti solforati varietali. Il primo stadio è stata la sintesi di queste molecole, seguito poi dall’ottimizzazione di metodi LC-MS/MS per il dosaggio di queste molecole. In questo contesto è stato possibile identificare per la prima volta un nuovo potenziale precursore di aroma, tramite esperimenti LC-MS/MS. Da ultimo, attraverso l’isolamento dell’enzima responsabile della biosintesi dei precursori d’aroma è stato possibile proporre una preliminare spiegazione alla formazione di tali molecole durante la maturazione della materia prima. In conclusione, grazie a questa tesi di dottorato, è stato possibile approfondire ed applicare alcune delle più moderne tecniche analitiche a disposizione, è stato possibile definire procedure statistiche per superare i più comuni ostacoli nello studio di matrici complesse, ed è stato possibile chiarire il contributo di una classe importante di molecole come i composti solforati nelle matrici enologiche.

I probiotici sono definiti come "microrganismi vivi che, se somministrati in quantità adeguate, conferiscono un beneficio alla salute dell'ospite". Al giorno d'oggi, ricercatori e produttori sono alla ricerca di nuovi ceppi probiotici con provata efficacia per specifiche applicazioni al fine di scegliere il ceppo più adatto all'uso richiesto. Coree s.r.l. è un'azienda che si occupa dello screening di nuovi ceppi probiotici per lo sviluppi di alimenti ed integratori alimentari specificamente pensati per la prima fase della vita, dalla nascita allo svezzamento. La matrice alimentare è strettamente correlata all'efficacia probiotica e può essere utilizzata come sistema di somministrazione al fine di colonizzare l'intestino umano. Ad oggi, la somministrazione di probiotici attraverso nuovi alimenti funzionali rappresenta un'opportunità molto interessante per i produttori ed i consumatori. Lo scopo di questo progetto di dottorato è stato quello di studiare se nuovi ceppi probiotici di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. fossero in grado di trarre vantaggio dall'interazione con il loro substrato ed esprimere questo sinergismo per migliorarne le caratteristiche benefiche nei confronti dell'ospite in una importante fase della vita, quella dello svezzamento. Alla luce di queste evidenze, la prima parte del dottorato ha indagato se i batteri probiotici, coltivati in matrici alimentari per lo svezzamento, cambiassero le loro proprietà, come l'adesione alla parete intestinale oppure la regolazione di espressione di vari geni da parte delle cellule intestinali umane. Sono stati utilizzati alcuni alimenti convenzionali della fase dello svezzamento, come carota, purea di mela, crema di riso e bevanda a base di avena, per valutare le possibili variazioni in termini di adesività post-fermentazione. I risultati hanno mostrato che i ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp., se coltivati nelle matrici sopracitate, erano in grado di migliorare la loro adesività alla mucosa intestinale dimostrando un effetto sinergico tra matrice alimentare e microrganismo probiotico. È stato inoltre dimostrato che la capacità di fermentare determinati alimenti per lo svezzamento e di aderire alle linee cellulari intestinali umane era ceppo-specifica e non correlata al genere dei microrganismi. I dati hanno evidenziato che i ceppi batterici isolati dalle piante possedevano una buona capacità di aderire all'intestino e, quindi, le proprietà di adesione non sono influenzate dall’origine del ceppo. I risultati ottenuti sono stati pubblicati in un articolo scientifico sulla rivista "Advances in Nutrition and Food"(Gennaio 2020). In parallelo, l'approccio Next-Generation Sequencing (NGS) è stato impiegato per studiare i genomi dei nuovi ceppi batterici di proprietà di COREE s.r.l. e valutare l’eventuale presenza di plasmidi, geni di antibiotico-resistenza ed analizzare il profilo metabolico. Durante la fermentazione, i ceppi batterici producono una vasta gamma di metaboliti, alcuni dei quali sono composti biodisponibili e bioattivi con effetti positivi. Pertanto, un approccio metabolomico è stato applicato per fornire ulteriori informazioni sulle proprietà funzionali e nutrizionali della bevanda a base di avena fermentata da ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. L'avena è ampiamente apprezzata per i suoi effetti salutistici nell’adulto e nel bambino, ed attualmente sono disponibili sempre più prodotti alimentari per la fase infantile. Tramite gli strumenti UHPLC-Q-TOF e HPAEC-PAD, è stato determinato l’impatto della fermentazione e della digestione sul profilo dei metaboliti della bevanda vegetale. I risultati hanno mostrato che, nel latte di avena tal quale, le classi di composti più abbondanti erano flavonoidi, acidi fenolici, aminoacidi e steroidi. Dopo la digestione in vitro, i profili metabolici hanno indicato che aminoacidi, peptidi ed acidi fenolici erano le molecole più rilasciate a livello intestinale della bevanda di avena. Successivamente, è stato valutato l'impatto della co-fermentazione di ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. Il processo di fermentazione ha diminuito i livelli di antinutrienti, come lignani ed acido fitico, una classe di composti correlata al malassorbimento di importanti micronutrienti. Il profilo digerito della bevanda di avena fermentata ha presentato un maggiore rilascio di aminoacidi, vitamine, polifenoli e sostanze fitochimiche rispetto alla condizione non fermentata. Secondo quanto riportato dalla letteratura scientifica, la fibra rappresenta la parte più bioattiva dell’avena, formata prevalentemente da β-glucani. La tecnica analitica di cromatografia ionica (HPAEC-PAD) ha permesso di analizzare l'impatto della digestione e della fermentazione sulla sua componente oligosaccaridica. I risultati hanno indicato che i ceppi batterici non hanno modificato il profilo degli oligosaccaridi e che quindi la sua capacità prebiotica è stata preservata. Questi dati sono stati pubblicati sulla rivista "Food Research International" (Febbraio 2021). Successivamente, un modello di assorbimento in vitro con le cellule enterocyte-type Caco-2 ha permesso di esaminare le differenze tra i metaboliti assorbiti della bevanda di avena fermentata e non fermentata. In particolare, la bevanda di avena è stata fermentata da due diversi blend di ceppi probiotici, appartenenti alla stessa specie. Il profilo assorbito della bevanda non fermentata è risultato ricco di aminoacidi e di myo-inositolo. L'acido linoleico, uno degli acidi grassi più abbondanti in Avena S., è stato trovato totalmente non assorbito rivelandosi un potenziale substrato per il microbiota intestinale. Dopo il processo di fermentazione, i risultati hanno mostrato che il profilo dei metaboliti assorbiti non è stato alterato drasticamente ma si è riscontrato un aumento di assorbimento di composti specifici e diversi tra i due blend utilizzati, indicando un effetto della ceppo-specificità. Questo lavoro ha suggerito l’importanza dello starter di coltura nello sviluppo di alimenti fermentati. La fermentazione da specifici ceppi batterici selezionati, anche appartenenti alla stessa specie, ha prodotto due matrici alimentari con simili profili chimici, ma con un effetto diverso sul metabolismo cellulare delle Caco-2. Questi risultati saranno presto sottomessi sulla rivista "Food Research International".
Probiotics are defined as “live microorganisms that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host”. Nowadays, researchers and producers are looking for probiotic strains with proven efficacy towards specific applications in order to choose the most suitable strain for the required use. Coree s.r.l. is a company dealing with the screening of potential new probiotic strains to be developed in food and food supplements specifically designed for the first phase of the life, from delivery to weaning. Food is strictly correlated to probiotic efficacy and it can be used as a deliver system to colonize the human intestine. To date, the delivery of probiotics through novel functional food represents a very interesting opportunity for manufacturers and customers. The aim of my PhD project was to study if new isolated strains of Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp. were able to take advantage of the interaction with their substrate and express this synergism with improved beneficial features to the host by considering an important stage of life, the weaning phase. In light of this evidence, the first part of the Ph.D. investigated whether probiotic bacteria, when grown in weaning food matrices, changed their properties, such as the adhesion to the gut or the regulation of various genes expression by human intestinal cells. We used some conventional complementary foods, such as carrot, apple puree, rice cream, and oat-based beverage, to evaluate the possible variations in terms of post-fermentation adhesiveness. Results showed that Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp. strains, when cultured in complementary foods, were able to improve their adhesiveness to the gut mucosa, showing a synergic effect between food matrix and probiotic microorganism. Moreover, it has been demonstrated that the ability to ferment weaning foods and to adhere to the human intestinal cell lines was strain-specific and not correlated to the genus of microorganisms. Furthermore, data have evidenced that bacterial strains isolated from plants possessed good ability to adhere to gut, and, thus, the adhesion properties is not influenced by the origins. These results were published an original article titled “The Synergistic Interaction between Probiotics and Food Affects Their Beneficial Features” on the journal “Advances in Nutrition and Food” (January 2020). In parallel, genome analysis was carried out to new isolated bacterial strains of COREE in order to better characterize their profiles. Next-Generation Sequencing (NGS) approach was used to find the hypothetical presence of plasmids and antibiotic-resistance genes and determine the bacterial fermentation type. During fermentation, bacterial strains produce a wide range of metabolites, some of which are bioavailable and bioactive with health properties that can be absorbed by the gastrointestinal cells and exert their effect at the systemic level. Therefore, metabolomic approach was applied to provide information about the different functional and nutritional properties of oat-based beverage fermented by Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp. strains. Oat is widely appreciated for its beneficial properties for adult and infant health, and currently, more food products are available for infant phase. Firstly, we evaluated the metabolites profile of oat beverage following in vitro gastrointestinal digestion by UHPLC-Q-TOF and HPAEC-PAD analysis. The untargeted metabolomics allowed to investigate the profile of metabolites released by oat-based beverage at the end of digestion. The results showed that flavonoids, phenolic acids, amino acids, and steroids were the major class of compounds identified in oat before any treatment. After the in vitro digestion, amino acids, peptides, and phenolic acids were the most released compounds. Afterward, the impact of co-fermentation by Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp. strains on the oat metabolites profile was evaluated. The fermentation process decreased the levels of antinutrients (lignans and phytic acid), a class of compounds that reduces the correct absorption of important micronutrients. Additionally, the digested profile of fermented oat beverage showed a major release of amino acids, vitamins, polyphenols, and phytochemical substances respect to the unfermented condition. Moreover, oat fiber component represents the most bioactive metabolite, consisting predominantly of β-glucans. For this reason, ion chromatography technique (HPAEC-PAD) was used to analyze the impact of digestion and fermentation on the oligosaccharidic component. Data indicated that the bacterial strains did not modify the oligosaccharides profile preserving its prebiotic capacity. These data have been submitted as original article entitled " The combined effect of fermentation of lactic acid bacteria and in vitro digestion on metabolomic and oligosaccharide profile of oat beverage” on the journal “Food Research International”. Successively, a simulated digestion/absorption model by using the enterocytes-type cells (Caco-2) allowed to examine the differences between the absorbed metabolites of fermented and non-fermented food matrix. The assimilated profile of non-fermented oat-based beverage was found rich in amino acids and myo-inositol. The linoleic acid, one of the most abundant fatty acid in Avena S., was found totally unabsorbed revealing as substrate for the intestinal microflora. Regarding the effect of fermentation on the absorbed profiles, results revealed that the bacterial strains did not alter drastically the metabolites profiles but induced few and strain-specificity effects that increased the absorption of specific compounds. This work suggests the relevance of culture starter in the development of fermented functional food. The fermentation by selected bacterial strains, even belonging to the same species, produced two food matrices with similar chemical profiles, but with a rather different effect on host metabolism. These findings are submitting as original article titled " In-vitro assessment of the strain-specific impact of fermented oat on the absorption of different metabolites” on the journal “Food Research International”.

La necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica e il consumo di petrolio ha determinato negli ultimi anni un crescente interesse verso le energie rinnovabili e i biocarburanti. Il più promettente fra questi risulta essere il bioetanolo, che presenta una combustione pulita, un elevato numero di ottano(103), è chimicamente stabile, non tossico e biodegradabile. Inoltre può essere utilizzato per la trazione o puro o in miscela; infatti in miscela non richiede specifiche modifiche al motore, mentre se utilizzato puro richiede solo piccoli interventi. L’anidride carbonica emessa dalla combustione del bioetanolo ( e simili) è considerata a basso impatto ambientale in quanto derivante da fonti rinnovabili. Così molti paesi hanno istituito politiche per la promozione e lo sviluppo di questi combustibili. L’etanolo è prodotto su base commerciale utilizzando sostanzialmente due tecnologie, utilizzando materie prime i cui zuccheri sono direttamente fermentabili, come canna da zucchero e barbabietola, o materiali di natura amidacea, come mais e frumento. Dei 51 miliardi di litri di etanolo prodotti nel 2006, la produzione statunitense basata sul mais e quella brasiliana basata sulla canna da zucchero coprono il 70% della produzione mondiale. I materiali di natura ligneo-cellulosica rappresentano la più abbondante risorsa nel mondo di biomassa e sono largamente sottoutilizzati. Il maggior problema nello sviluppo di un processo per la produzione di bio-etanolo da questi materiali è la mancanza di microorganismi in grado di fermentare zuccheri pentosi con una cinetica accettabile e i costi necessari alla preparazione del materiale di partenza alla fermentazione. Un’altra importante opzione per la produzione di bio-etanolo è l’uso di scarti di biomasse che risultino ricchi di zuccheri o di materiali amidacei. E’ stato riportato che varie frazioni della frazione organica dei rifiuti urbani presentano un elevato potenziale per la produzione di zuccheri che potrebbero eventualmente essere utilizzati per la produzione di bioetanolo. Inoltre la conversione di parte di questi residui a etanolo può rappresentare un’alternativa sostenibile alla disposizione in discarica. Questi materiali sono prodotti in grande quantità in Europa e si possono considerare una materia importante di partenza per la produzione di biocombustibili; la generazione di questi scarti si attesta sui 222 milioni di tonnellate per anno, di cui gli scarti di frutta e verdura si attestano sui 140 milioni di tonnellate per anno. In questa tesi è stato studiato il processo di fermentazione continua in condizioni non sterili di un residuo ottenuto dalla produzione di marmellata, con lo scopo di produrre bioetanolo. La fermentazione è stata condotta utilizzando un ceppo di Saccharomyces cerevisiae (EC 1118), ceppo tollerante ad elevate concentrazioni di etanolo. Sono state studiate sia la configurazione di singolo CSTR che in CSTR con ricircolo della biomassa per comprendere la cinetica del processo e i problemi connessi all’intensificazione di processo. Dai bilanci di massa condotti alle diverse condizioni operative risulta chiaro che è possibile lavorare in condizioni non sterili sia in singolo CSTR che in CSTR con ricircolo della biomassa ottenendo elevati rapporti etanolo/zuccheri utilizzati, questo utilizzando opportuni tempi di ritenzione idraulica e dei solidi. Il processo comunque risulta, dalla modellazione cinetica e dal bilancio di energia, non competitivo.
The necessity to reduce CO2 emissions and oil consumption has been determining a strong interest in bio-energy and bio-fuels in recent years. The most promising of these biobased fuels is bioethanol , which can be used with a clean combustion, has a high octane number (103), is chemically stable, no toxic and biodegradable. Further, it can be used for vehicles transport as a mixture with oil or pure; in fact, as mixture does not require specific changes on the engine, while when used pure only small changes are requested. Finally, the CO2 emission produced by the bio-ethanol combustion is “environmental friendly”, because deriving from renewable energy sources. So many countries have set up polices to promote development and use of liquid biofuels. The production of bioethanol is performed on a commercial basis by two technological roadmaps, using directly fermentable sweet feedstocks, such as sugarcane and sugar beets, or starchy feedstocks, such as corn and wheat. Of the 51 billion liters of bioethanol produced in 2006, the U.S. production based on corn and the Brazilian production based on sugarcane accounted for 70% of total production. Cellulose materials represent the most abundant global source of biomass and have been largely unutilized. The main problems to develop viable ligneocellulose-to-ethanol bioconversion processes are the lack of organisms capable of fermenting pentose sugars with a acceptable kinetic rate and the energy (and costs) required for breaking the lignocellulosic material structure. Lignocellulosic ethanol is not at large scale production as corn ethanol and sugarcane ethanol. Ethanol can be produced from lignocellulosic materials in various ways; all processes comprise the same main components: hydrolysis of the hemicellulose and the cellulose to monomer sugars, fermentation and product recovery and concentration by distillation. Another important option for the production of bio-ethanol is the use of bio-waste rich in sugars or starchy materials. Has been reported that various BMSW fractions have a vast potential for the production of sugars that eventually can be used for producing bio-ethanol. Moreover conversion of MSW to bio-ethanol can be an alternative sustainable approach to disposal of waste and reduction of the biodegradable fraction of MSW to landfill. These materials are produced in large amount in Europe and can be considered an important feedstock for bio-fuels production: the generation of food-processing waste has been estimated in 222 millions tonnes per year, vegetable and fruit being at 140 million of tonnes/year. In this thesis has been the study of the continuous fermentation process under no-sterile condition of a residue obtained from the marmalade production, with the aim of bio-ethanol fuel production. The fermentations was conducted with a Saccharomyces cerevisiae strain (EC1118) alcoholic tolerant It has been studied both the single CSTR and CSTR with biomass recycling in order to understand the process kinetics and the problems connected with the principal intensification processes utilized in ethanol fermentation. From the different mass balances conducted on the first, second and third part of this work it appears clear that is possible to work under no-sterile conditions in CSTR, and CSTR with biomass recycling obtaining high ethanol/sugars utilized ratio utilizing appropriate solid retention time and hydraulic retention time. The process nevertheless appears, from the kinetic modelling and energy balance, to not be competitive.