On yeasts from traditional fermented foods - Characterization, phytate degradation, strain improvement and applications
Doktorsavhandling, 2016

Plant materials naturally contain minerals of iron, zinc and calcium. However, plants also contain a compound called phytic acid, which can chelate the minerals and form insoluble complexes. Minerals from plant foods are unavailable for intestinal uptake when they are bound in phytate complexes. Cereal-based diets low in meat, can thereby lead to micronutrient deficiencies of e.g. iron and zinc. Yeasts were isolated from food fermentations, and studied with the aim to find starter strains able to degrade phytate in cereal-based matrices. The overall phytate degrading ability of different strains was studied, followed by analysis of release of the phytase (phytate degrading) enzyme to the surrounding media by the two strains Pichia kudriavzevii TY13wt and TY1322, and of factors affecting the phytase release. Yeasts isolated from the traditionally fermented goat milk from the Yaghnob valley, Tajikistan, were genetically identified by ITS1-4 sequencing and restriction fragment length polymorphism. Phenotypic characterization was done by studying e.g. growth at various pH and temperatures, on different carbon sources, in presence of ox bile, ethanol or lactic acid, under osmotic and oxidative stress. Selected strains were used as starters for fermentation of some plant-based substrates. A prominent phytate degradation was observed from the strain P. kudriavzevii TY13wt, previously isolated from Tanzanian Togwa. Through mutagenesis by ultraviolet light exposure of strain TY13wt, mutant strain TY1322 was acquired, having improved phytate degrading ability. Strain TY1322 showed about eight times higher phytate degradation compared to wild type strain TY13wt under certain conditions. The phytase synthesis from strain TY1322 was not repressed by high phosphate levels (26mM), as opposed to the wild type strain. Both TY13wt and TY1322 were able to release phytase to the surrounding media, which was induced by yeast extract medium. Strains TY13wt and TY1322 could grow at pH 2, at 46°C, in presence of 2% ox bile or 6% ethanol, and under osmotic stress. The phytase produced showed two pH optima (3.5 and 5.5) and one temperature optimum (55°C). Yeast isolation from fermented goat milk of the Yaghnob valley resulted in 52 isolates belonging to Kluyveromyces marxianus (29), Pichia fermentans (12), Saccharomyces cerevisiae (10) and Kazachstania unispora (1). Characterization of the strains revealed i) two genetically different groups among the K. marxianus strains, ii) Yaghnob S. cerevisiae strains forming a separate cluster in a phylogenetic tree constructed of 350 previous S. cerevisiae isolates of various origins, iii) phenotypically intriguing traits of several strains, e.g. S. cerevisiae strains able to grow at elevated temperatures, 37°C (all ten strains), 40°C (9), 42°C (2), and 46°C (1). The phenotypic intra-species variations found among some of the Yaghnob strains may potentially indicate isolation of some new species. Finally, application of selected yeasts and lactic acid bacteria for soy milk and soy flour fermentations showed strong phytate degradation in fermentations containing strain P. kudriavzevii TY1322, and the phytate degrading effect of TY1322 was improved in co-cultures with Yaghnob strains K. marxianus AL2 or BL8. Traditional food fermentations constitute a valuable source of microbial strains. This work demonstrates the usefulness of phytase-active strains for phytate degradation in plant-based substrates, and new strain isolation revealed several strains able to grow under stress conditions that may occur during fermentation, or inside the gastrointestinal tract. This work can contribute to future strain selection for food and feed processes.

Goat Milk

Saccharomyces cerevisiae

Food Fermentation

Phenotypic Characterization

Phytate

Kluyveromyces marxianus

Phytase

Pichia kudriavzevii

Yaghnob Valley

Författare

Linnea Qvirist

Chalmers, Biologi och bioteknik, Livsmedelsvetenskap

Secretion of non-cell-bound phytase by the yeast Pichia kudriavzevii TY13

Journal of Applied Microbiology,; Vol. 118(2015)p. 1126-1136

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Assessing phytase activity–methods, definitions and pitfalls.

Journal of Biological Methods (JBM),; Vol. 2(2015)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Växter, t.ex. cerealier och legymer, innehåller naturligt flera olika mineraler, exempelvis järn, zink och calcium. I vissa delar av världen är det vanligt med en växtbaserad kost med lågt eller inget intag av kött. Även i västvärlden är växtbaserad kost vanlig, framförallt bland vegetarianer och veganer. En kost som är fri från kött och med hög andel växtbaserade råvaror kan innebära en ökad risk för att utveckla mineralbrist, och särskilt vanligt är järn- och zinkbrist. Då en balanserad vegansk kost kan tillgodose det rekommenderade intaget av mineraler, så är anledningen till den ökade risken för att utveckla mineralbrist är inte enbart beroende på ett eventuellt lägre intag av mineraler. Risken är även kopplad till att absorptionen av näringsämnen i vårt mag-tarmsystem, framförallt av mineraler, från den växtbaserade kosten kan vara begränsat. Anledningen till den begränsade mineralabsorptionen är närvaron av så kallade antinutrienter, som finns i växter. Antinutrienter är ämnen som på olika sätt hämmar tillgängligheten av mineraler, eller andra näringsämnen, för absorption tarmen. En välkänd antinutrient är fytinsyra. Fytinsyra kan på grund av sin negativa laddning attrahera positivt laddade metalljoner, t.ex. järn (Fe2+ Fe3+), och bilda olösliga fytat-mineral komplex. Mineralerna i dessa komplex är inte tillgängliga för upptag i tarmen. Det innebär att även om vi uppnår ett intag av mineraler som möter kostrekommendationerna, så kommer troligtvis inte alla mineraler att absorberas i tarmen.

Denna avhandling studerar fytatnedbrytning med hjälp av mikrobiologisk fermentation. Eftersom en-magade djur, människor inkluderat, inte innehar de enzymer som krävs för nedbrytning av fytat, så måste dessa enzymer komma från en annan källa. Mikroorganismer, och framförallt flera arter av jäst, har visat sig vara bra på att bryta ner fytat. Att använda väl valda jäststammar vid fermentering av växtbaserade produkter kan därför bidra till nedbrytning av fytat och frisättning av mineraler.

Vi fann mycket god fytatnedbrytning med hjälp av jäststammen Pichia kudriavzevii TY13wt, ursprungligen isolerad från ett traditionellt fermenterat cerealiebaserat livsmedel i Tanzania, Afrika. Från denna stam utvecklades sedan stammen P. kudriavzevii TY1322, genom mutagenes. TY1322 visade uppemot 8 gånger högre fytatnedbrytning än ursprungsstammen. Både P. kudriavzevii TY13wt och TY1322 har även förmågan att exportera det producerade fytatnedbrytande enzymet till omgivningen. Det är en egenskap som kan möjliggöra ökad interaktion mellan enzym och fytat under fermentering, samt minskade kostnader vid industriell produktion av enzymet p.g.a. minskat behov av extraktion från jästcellerna. Vidare gjordes jästisolering från en fermenterad getmjölk, traditionellt tillverkad i Yaghnob-dalen, i Tajikistan. Det var första gången som jäst isolerades från denna plats och detta livsmedel. Resultaten visade flera arter, inklusive TY1322, med intressanta egenskaper så som hög tålighet mot flera tuffa odlingsmiljöer. Tålighet mot dessa miljöer kan indikera att jästen skulle kunna överleva genom vårt mag-tarmsystem, vilket är viktigt exempelvis för probiotiska mikroorganismer. Även genetiskt intressanta upptäckter gjordes, t.ex. att stammarna inom arten Kluyveromyces marxianus uppvisar två genotyper. Slutligen gjordes fermentationer av sojamjölk samt sojamjöl med utvalda stammar. Där visade sig stam TY1322 vara överlägsen på fytatnedbrytning jämfört med övriga undersökta stammar. Stam TY1322 fungerar dock bäst vid fermentation tillsammans med K. marxianus stam AL3 eller BL8.

Traditionella fermentationer har till stor del försvunnit med övergången till vår västerländska livsstil. Därför kan isolering av mikroorganismer från ännu pågående traditionella fermentationer i andra delar av världen utgöra en viktig källa av nya intressanta stammar.

Ämneskategorier

Mikrobiologi

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik

ISBN

978-91-7597-473-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4154

Utgivare

Chalmers tekniska högskola