Study of kefiran production from cheese whey

Abstract

Cheese whey is the main by-product of dairy industries, which is massively produced worldwide. Its disposal may represent a serious environmental issue due to its high organic content, therefore, it is of interest to find more solutions for its valorisation. An interesting approach is the conversion of its lactose into value-added products through microbial fermentation. Kefiran is an exopolysaccharide with approximately equal amounts of D-glucose and Dgalactose, whose remarkable properties make it possible to be of use in a wide range of applications in the medicine, pharmaceutical and food industries. This polymer can be produced during fermentation, with the use of kefir grains, a complex microbial community embedded within a kefiran matrix, containing several species of lactic acid bacteria (LAB), acetic acid bacteria (AAB) and yeasts, living in symbiose. Nevertheless, the bacterium Lactobacillus kefiranofaciens is considered to be the main responsible for kefiran production. The objective of this work was the study of kefiran production, by kefir grains, in cow’s cheese whey (CWC), diluted cow’s cheese whey (CWCD), sheep’s cheese whey (CWS) and in synthetic medium (MRSL broth). In this study, fermentations in batch and fed-batch mode were performed. Initially, MRSL broth medium was used to optimise the process. A fermentation time of 100 h was found to be optimal, since it led to the highest kefiran productivity value. The ideal stirring speed was concluded to be 80 rpm, as it provided the best balance between kefiran production and kefir grains’ conservation. Relatively to the optimal initial lactose concentration, results were dependant on the stirring speed, with no noticeable inhibition by substrate occurring. The best results in terms of kefiran concentration, 1.640 g/L, and productivity, 0.390 g/L.day, were both reached after 100 h of fermentation, using a MRSL broth medium containing 40 g/L of lactose, at 160 rpm. Regarding cheese whey, kefiran production values were promising. The highest concentration of kefiran, 1.190 g/L, was attained in the fed-batch fermentation of the cheese whey sample CWC, which lasted for 510 h, at 80 rpm, while the highest kefiran productivity value, 0.224 g/L.day, was achieved in the batch fermentation of the cheese whey sample CWCD, after 50 h, at 80 rpm. When characterising the kefiran samples produced with the different media, an acid hydrolysis confirmed a glucose to galactose ratio of approximately 1:1 and, together with the analysis by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, also confirmed that kefiran was successfully produced in this study. Additionally, the analysis by scanning electron microscopy (SEM) revealed a foam-like structure with a high porosity level, which is a very desirable characteristic for the production of kefiran scaffolds. This study showed that it is possible to produce kefiran with the use of a lowcost carbon source, such as cheese whey, with fairly solid results, even though the process scale-up still needs to be addressed to enable an eventual industrial implementation.

O soro de leite é o subproduto principal da indústria dos lacticínios, e é massivamente produzido a nível mundial. O seu descarte pode representar um sério problema ambiental devido à sua elevada carga orgânica, portanto, é de interesse procurar mais soluções para a sua valorização. Uma alternativa interessante é a conversão da sua lactose em produtos de valor acrescentado, através da fermentação microbiana. O kefirano é um exopolissacarídeo com aproximadamente as mesmas quantidades de Dglucose e D-galactose, cujas notáveis características tornam possível o seu uso numa ampla gama de aplicações na medicina e na indústria farmacêutica e alimentar. Este polímero pode ser produzido durante a fermentação com grãos de kefir, uma complexa comunidade microbiana embebida numa matriz de kefirano, contendo várias espécies de bactérias do ácido lático (LAB), bactérias do ácido acético (AAB) e leveduras, que vivem em simbiose. Contudo, a bactéria Lactobacillus kefiranofaciens é considerada como sendo a principal responsável pela produção de kefirano. O objetivo deste trabalho foi o estudo da produção de kefirano, utilizando grãos de kefir, em soro de leite de vaca (CWC), soro de leite de vaca diluído (CWCD), soro de leite de ovelha (CWS) e em meio sintético (MRSL broth). Neste estudo, foram realizadas fermentações em modo batch e fed-batch. Inicialmente, o meio MRSL foi utilizado para a otimização do processo. O tempo de fermentação de 100 h foi considerado como ótimo, porque resultou no valor de produtividade de kefirano mais elevado. A agitação ideal foi de 80 rpm, uma vez que demonstrou o melhor balanço entre a produção de kefirano e a conservação dos grãos de kefir. Relativamente à ótima concentração inicial de lactose, os resultados foram dependentes da agitação, onde não foi observada uma inibição por substrato significativa. Os melhores resultados em termos de concentração de kefirano, 1,640 g/L, e produtividade, 0,390 g/L.dia, foram ambos alcançados após 100 h de fermentação, usando um meio MRSL broth contendo 40 g/L de lactose, a 160 rpm. Em relação aos ensaios com soro de leite, os valores de produção de kefirano foram promissores. A concentração mais alta de kefirano, 1,190 g/L, foi atingida na fermentação em fed-batch da amostra de soro de leite CWC, que durou 510 h, a 80 rpm, enquanto que o valor mais alto de produtividade de kefirano, 0,224 g/L.dia, foi alcançado na fermentação em batch da amostra de soro de leite CWCD, depois de 50 h, a 80 rpm. Ao caracterizar as amostras de kefirano produzidas com os diferentes meios, uma hidrólise ácida confirmou o rácio de glucose para galactose de aproximadamente 1:1 e, juntamente com a análise por espectroscopia de infravermelhos com transformadas de Fourier (FTIR), também confirmou que o kefirano foi produzido com sucesso neste estudo. Adicionalmente, a análise por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) revelou uma estrutura tipo espuma com um elevado nível de porosidade, o que constitui uma característica muito desejável para a produção de scaffolds de kefirano. Este estudo demonstrou que é possível produzir kefirano a partir de fontes de carbono de baixo custo, como o soro de leite, com resultados bastante sólidos, apesar de ainda ser necessário estudar o aumento de escala do processo, de modo a tornar possível uma eventual implementação industrial