Bibliography: pages 154-195. / The production of acetone and butanol by Clostridium acetobutylicum P 262 was studied in continuous culture under conditions where the nutrients were present in excess of the requirements and the cell growth was limited by the products formed during the fermentation. This system differs from most continuous culture systems used to obtain solvent production where the limitation of a specific nutrient was utilised to limit the cell growth.

The aim of this work was to map out the theoretical basics of acetone-butanol fermentation. In addition, it is to find available data for possibility of the industrial use of this process and to make conclusion for next procedure. The microorganisms producing butanol, conditions of fermentation and usable raw material were described. Batch, Fed-batch and Continuous fermentation processes are described in more detail from the point of view of productivity of process and yield. Available data was evaluated, but there was a lack of technological data to construct an operational system. Therefore, an experimental pilot plant system was constructed that allowed different types of microorganisms and substrates to be tested. The pilot plant system is for single stage Continuous fermentation with gas stripping product recovery with possibility of expansion to two-stage Continuous fermentation. As well the balance of this process was done.

Please read the abstract in the section 00front of this document / Thesis (PhD (Food Science))--University of Pretoria, 2001. / Food Science / unrestricted

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A purification of pyruvic carboxylase from dried brewer's yeast is reported. The procedure consists of an initial extraction of one part yeast with three parts of a 5% glycerol-water mixture for two hours at room temperature, an acetone fractionation at -5° between the concentration (v/v) limits of 50% and 85%, an ammonium sulfate fractionation at 0° between the saturation limits of 0.50 and 0.60 and precipitation of inert material with 0.1 M lead acetate. After precipitation of the enzyme with ammonium sulfate, gel filtration on a Sephadex column at a pH of 6.8 is carried out. A mixture of equal amounts of Sephadex types G-100 and G-200 were used. The best purification obtained from the Sephadex column exhibited a single peak in the analytical ultracentrifuge. This represents a more highly purified preparation than the best purification previously reported (Holzer, H. and Beaucamp, K., Biochim. Biophys. Acta, 26, 225 (1961) ). Paper electrophoresis revealed a small amount of a second component. Therefore, homogeneity cannot, as yet be claimed for the preparation. A molecular weight of 250,000 to 300,000, based on the sedimentation coefficient (S_20o, W°) of 8.78 X 10^-13 cm.^2 sec.^-1, which was obtained by means of the ultracentrifuge, is estimated. This estimate is from two to three times previously reported molecular weight values. A conversion of 138.3 micromoles of pyruvate to acetaldehyde per minute per milligram protein has been calculated. A value of 35,000 moles of pyruvate converted to acetaldehyde per mole of pyruvic carboxylase per minute at 30° can be considered an approximate turnover number. Ultrasonic disintegration liberated 1.95 mg. of pyruvic carboxylase per g. of dried brewer's yeast. This yeast can therefore be estimated to contain the enzyme in the amount of 0.2% by weight. Preincubation of pyruvic carboxylase with thiamine pyrophosphate before assaying for activity caused a significant increase in the reaction rate, even with the initial extract. Both thiamine pyrophosphate and Mg(II) were present in the reaction mixture of the assay. It is suggested that dissociation of thiamine pyrophosphate (and probably some Mg(II) also) occurs throughout the purification procedure, which is carried out in the slightly acid pH range. A simple, rapid procedure for the preparation of apocarboxylase by gel filtration with Sephadex G-75 at a pH of 8.0 is also described.

Ethanol fermentation of highly concentrated aflatoxin-contaminated corn (Zea mays) was conducted on a lab scale to determine if aflatoxin concentrated in the distilled ethanol and/or dry distillers grain end-products. Alliquots of fermented mash, distilled ethanol, stillage, and dry distillers grain (DDG) were analyzed via LC-MS/MS and immunoassay detection methods for aflatoxin. Results indicate that aflatoxin does not greatly concentrate during fermentation in the DDGs and is undetectable in distilled ethanol. Addition of binders, MTB-100®, to aflatoxin-contaminated DDGs showed great reduction in aflatoxin concentrations when analyzed via LC-MS/MS. Also, an experiment investigating detoxification of aflatoxin using Clorox® was conducted. Results obtained from LC-MS/MS showed a positive correlation of decreased aflatoxin levels with increasing Clorox® levels following a logarithmic trend.

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The objective of this study was to compare products fermented with two culture systems to two endpoints for the following characteristics: survival of the culture bacteria, changes in protein, lactose and galactose concentrations and sensory changes. Frozen yogurt was produced using a standard lowfat ice cream mix formulation, fermented with supplemented and traditional culture systems, and stored for 11 weeks at -20°C. Three methods of recovery were employed: Bifid Glucose Agar with the Repair Detection System and Roll Tubes, Bifid Glucose Agar with the Repair Detection System on plates incubated in an anaerobe jar with a GasPak™, and Maltose/Galactose Reinforced Clostridial Agar incubated in an anaerobe jar with a GasPak™. Statistical analysis indicated that the Repair Detection System provided significantly (p<.05) enhanced recovery of Bifidobacterium longum. Recovery of B. longum on BGA Plates and M/G RCA plates was approximately one-half log lower than recovery on BGA in roll tubes. Culture bacteria in both systems survived at approximately 5x10⁶ cfu/mL during frozen storage. Lactose and protein levels showed no significant changes or differences between the two culture systems. Generally, galactose levels were significantly higher (p<.05) in the traditional culture system fermented to pH 5.6 compared to the supplemented system fermented to the same endpoint. The manufactured products (supplemented and traditional) were not different from the commercial product with respect to flavor intensity of yogurt flavor, vanilla, sweetness and freshness. Acid flavor was usually more intense when product was fermented to a pH of 5.6. The commercial product was more smooth than the manufactured products. Consumers indicated a “like slightly” to “like moderately” response for the supplemented and traditional inoculated frozen yogurts. The study concluded that the culture bacteria do survive the environment well enough to meet proposed standards of identity for frozen yogurt. The presence of probiotic bacteria in the supplemented system seemed to cause little to no difference in such attributes as protein and lactose levels, and sensory evaluation. / Master of Science

Les progrès rapides en microbiologie alimentaire et en recherche d'antimicrobiens ont contribué à façonner le paradigme de l'industrie alimentaire depuis plus d'un siècle. Cependant, face à l'évolution des préférences alimentaires des consommateurs pour des produits naturels et au renforcement des lois sur la salubrité des aliments, la conservation des aliments continue d'être un défi de taille et l'exploration d'antimicrobiens naturels pour la conservation des aliments est plus que jamais au cœur des préoccupations. L'identification de composés antimicrobiens d'origine végétale (PDACs) vise à élargir le spectre de l'activité antimicrobienne par rapport à celui des agents de conservation existants. Malgré un grand nombre d'études sur l'activité antimicrobienne des sous-produits d'origine végétale et leur potentiel en tant que substituants potentiels aux antimicrobiens alimentaires chimiques, des obstacles conceptuels clés restent à surmonter. Par exemple, les études actuelles portent principalement sur le mécanisme d'administration des composés bioactifs et par conséquent, demeure une preuve de concept plutôt que d'être accepté par l'industrie alimentaire dans son ensemble. De plus, l'activité antimicrobienne de la plupart des composés antimicrobiens d'origine végétale est faible et souvent très variable selon le microsystème alimentaire. Le problème de variabilité de l'efficacité des antimicrobiens naturels d'origine végétale entre les études in vitro et in vivo restent un sujet de discussion. Les processus et les techniques désignés pour améliorer l'activité antimicrobienne des antimicrobiens naturels sont spécifiques et, au mieux, applicables aux produits de niche. En outre, les approches assistées par microorganismes, bien que prometteuses, sont pour la plupart des approches top-down, dont l'applicabilité et la modularité du printest la relation structure-activité. Il est plausible que l'amélioration de la puissance des antimicrobiens d'origine végétale puisse augmenter leur activité et les rendre comparables aux antimicrobiens synthétiques existants utilisés dans l'industrie alimentaire. L'objectif global de cette thèse était d'améliorer le pouvoir antimicrobien d'extraits de plantes grâce à un processus biochimique durable tel que la fermentation. Les objectifs spécifiques comprenaient la sélection de bactéries lactiques adaptées grâce à l'évolution adaptative en laboratoire (ALE) et la comparaison de leurs paramètres de croissance et indicateurs métaboliques à ceux de bactéries lactiques non adaptées. Ensuite, l'activité antimicrobienne des extraits aqueux de plantes a été quantifiée et comparée à des extraits de plantes fermentés avec des bactéries lactiques non adaptées et adaptées. Enfin, une analyse UPLC-QTOF-ESI-MS d'extraits de plantes fermentées a été effectuée pour identifier les composés antimicrobiens potentiels. Dans la première partie de cette étude, un milieu YED constitué de 0,9 % p/v d'extrait de levure et 0,5 % p/v de dextrose a été développé pour remplacer le milieu De Man, Rogosa and Sharpe (MRS). Le milieu YED additionné d'un extrait aqueux de plante (peau de grenade, POM ou extrait d'olive, OL), a été utilisé pour adapter L. plantarum et L. reuteri afin de permettre une survie et un développement des bactéries malgré des teneurs inhibitrices en composés phytochimiques. Les bactéries L. plantarum et L. reuteri adaptées ont montré, comparativement à leurs homologues non adaptées, un potentiel métabolique et une vitalité améliorée. Les bactéries lactiques adaptées ont réduit le pH du milieu plus significativement et accumulé relativement plus d'acides dans le milieu (acidité titrable, g.L⁻¹ d'acide lactique) que les bactéries non adaptées. Pour finir, les bactéries lactiques non adaptées ont performé également mieux que les bactéries non adaptées sur tous les indicateurs (constante de vitesse de croissance (μ, h⁻¹), constante d'interaction (K), taux de croissance dans le milieu (n) et population microbienne totale) de cette étude. Suite à l'adaptation réussie, l'effet de l'ALE sur le métabolisme de L. plantarum et L. reuteri a été évalué. Le changement de 'fitness' du microorganisme affecte l'énergie et le stress métabolique. ALE a permis la sélection de souches relativement plus résistantes aux composés phytochimiques présents dans le milieu de croissance. Le métabolisme des bactéries lactiques adaptées était significativement différent de celui des bactéries lactiques non adaptées. Les bactéries lactiques adaptées ont accumulé des concentrations significativement plus élevées en acides aminés à chaîne basique et ramifiée que les bactéries lactiques non adaptées. Une tendance similaire a été observée pour les acides lactique et pyruvique. Plus de malate et de citrate ont été consommés par les bactéries lactiques adaptées, suggérant un changement considérable du métabolisme énergétique sous stress. Les extraits végétaux fermentés avec les bactéries lactiques adaptées avaient significativement plus de proanthocyanidin monomériques et oligomériques et une teneur en polyphénols plus élevée. La consommation plus élevée en glucides par les bactéries lactiques adaptées suggère également que l'adaptation peut avoir un rôle à jouer dans la survie et le métabolisme énergétique sous la contrainte. Enfin, les bactéries lactiques adaptées étaient plus résistantes au chloramphénicol, à la tétracycline et à l'érythromycine que les bactéries lactiques non adaptées. Globalement, les bactéries lactiques adaptées pourraient être différenciées des bactéries lactiques non adaptées par leur activité métabolique (acides aminés libres et acides organiques), leur catabolisme (degré de polymérisation et polyphénols totaux) et leur réponse phénotypique (métabolisme des sucres et sensibilité aux antibiotiques), faisant allusion à la possibilité d'une mémoire de réponse au stress hystérétique. Pour le troisième objectif, quinze extraits de plantes ont été fermentés avec les bactéries lactiques adaptées et leur activité antimicrobienne comparée aux extraits non fermentés (contrôle) et fermentés avec les bactéries lactiques non adaptées. Les paramètres critiques de fermentation tels que le type d'extrait de plante, la souche de fermentation (bactéries lactiques adaptées, bactéries lactiques non adaptées, non fermenté (contrôle)), la durée de fermentation (24, 48 et 96 heures) et la souche d'essai ont été étudiés. L'activité antimicrobienne d'extraits fermentés avec des bactéries lactiques adaptées a également été comparée à celle des extraits non fermentés modifiés avec du surnageant sans cellules (CFS) de bactéries lactiques adaptées cultivées en milieu YED. L'activité bactéricide des extraits fermentés a été analysée avec une version modifiée du test time-kill contre E. coli ATCC 25922 et B. subtilis ATCC 6633. Le choix de souche de fermentation suivi du type d'extraits de plantes a eu l'effet le plus significatif sur la valeur de destruction (réduction logarithmique de la population des souches d'essai). Les résultats pour 24 heures d'exposition contre E. coli et B. subtilis ont montré que les extraits de résidus de cassis, de jus de noni et de yerba mate ont été les plus bénéfiques avec une fermentation avec des bactéries lactiques adaptées. Pour 12 et 6 heures d'exposition à 10 mg/ml les extraits fermentés avec des bactéries lactiques adaptées ont été significativement plus efficaces que les extraits de plantes non fermentés et fermentés avec des bactéries lactiques non adaptées. Il était à noter que, contrairement à la plupart des PDACs, les extraits fermentés avec des bactéries lactiques adaptées étaient tout aussi efficaces contre les deux souches à l'essai à de faibles concentrations suggérant une potentielle activité à large spectre. L'amélioration significative de l'activité des extraits de plantes fermentés par des bactéries lactiques adaptées contre les souches E. coli et B. subtilis a justifié d'autres tests antimicrobiens. Ainsi pour le quatrième objectif, l'effet de la fermentation (témoin non fermenté vs non adaptées (L. plantarum et L. reuteri)), de la souche de fermentation (non adaptée vs adaptée (OL-AD et POM-AD) et de la durée d'exposition (24 h et 12 h) a été évalué. Les extraits de noni et de yerba mate fermentés avec les bactéries lactiques adaptées ont présenté l'augmentation la plus significative de l'activité bactéricide. Les extraits de plantes fermentés ont montré une activité antimicrobienne significativement meilleure (p <0,05) que les témoins non fermentés pour une durée d'exposition de 24 h. Pour la durée d'exposition réduite (12 h), les extraits fermentés avec des bactéries lactiques adaptées ont affiché des valeurs de mortalité considérablement plus élevées (réduction logarithmique de la population de la souche d'essai) que les extraits fermentés avec les bactéries lactiques non adaptées. Les classes Gram-positif et Gram-négatif étaient également sensibles et une augmentation de la sensibilité des souches Gram-négatif aux extraits fermentés par des bactéries lactiques adaptées a été observée. La teneur en proanthocyanidin des extraits n'a pas changé de façon significative après fermentation, bien que les concentrations en flavon-3-ols monomériques et les proportions de dimères et trimères (de la fraction flavon-3-ols oligomériques) étaient plus élevées pour la plupart des extraits fermentés par les bactéries lactiques adaptées. La concentration en polyphénols totaux pour les extraits fermentés était également plus élevée après fermentation. Suite à l'amélioration réussie de l'activité des PDACs, une caractérisation préliminaire de huit extraits de plantes par UPLC - ESI - QTOF - MS a été effectuée pour détecter et identifier d'éventuels composés antimicrobiens. Les traitements des chromatogrammes et l'identification des composés se sont faites avec le logiciel MZmine, les résultats ont été exprimés par rapport au témoin non fermenté en mettant l'accent sur l'impact de la fermentation (fermenté vs non fermenté) et de l'inoculation (adaptée vs non adaptée). Plusieurs composés ont été identifiés et détectés (coumaric acid, 5-O-galloylquinic acid, gallic acid, ellagic acid, 6-geranylnaringenin, lactucin, R-catechol, pinosylvin, rutin, cinnamtannin-A2, 4-hydroxybenzaldehyd), suggérant un impact perceptible de la fermentation et de l'adaptation. Les composés antibactériens étaient présents en forte abondance dans les extraits fermentés avec des bactéries lactiques adaptées (par rapport au témoin non fermenté). Enfin, de nombreux composés ont été détectés mais n'ont pas été identifiés et il est possible que certains de ces composés aient une activité antimicrobienne. L'activité antimicrobienne est limitée par la composition biochimique inhérente des composés et leur interaction avec l'environnement immédiat. L'activité antimicrobienne globale peut être due à une activité individuelle, une synergie ou un antagonisme avec d'autres composés. Les travaux présentés ici fournissent une approche combinant le potentiel de la fermentation en tant que processus de biotransformation et l'évolution adaptative en laboratoire pour améliorer la puissance des composés antimicrobiens d'origine végétale.