Effect of the substrate and the cell treatment conditions on the ethanolic fermentation contaminated with Saccharomyces cerevisiae wild yeasts and Lactobacillus fermentum

Pouco se sabe sobre o efeito do substrato e a interação entre as leveduras selvagens e bactérias do gênero Lactobacillus na fermentação alcoólica, pois os estudos tem se concentrado na avaliação dos efeitos da contaminação por um ou outro contaminante separadamente. Diante disso, este trabalho teve como objetivos estudar o efeito do substrato e das condições de tratamento do fermento sobre as fermentações contaminadas com ambos os micro-organismos, leveduras S. cerevisiae selvagens (três linhagens apresentando colônias rugosas e células dispostas em pseudohifas) e Lactobacillus fermentum, tendo a linhagem industrial de S. cerevisiae PE-2 como levedura do processo. Foram realizadas fermentações em batelada em mosto de caldo e de melaço, sem reciclo e com reciclo celular, utilizando tanto a cultura pura da linhagem PE-2 quanto as culturas mistas com as linhagens rugosas e ou L. fermentum. Foram avaliadas modificações no tratamento ácido do fermento, visando o controle do crescimento dos contaminantes sem afetar a levedura do processo. Em seguida, foram conduzidas fermentações contaminadas e não contaminadas submetidas ao tratamento ácido combinado com adição de etanol, tanto em caldo quanto em melaço, utilizando-se PE-2, uma das linhagens rugosas e L. fermentum. A atividade da invertase extracelular foi também avaliada em ambos os substratos para os micro-organismos estudados, em condições de crescimento. Concluiu-se que o tipo de substrato de fermentação, caldo de cana ou melaço, influenciou o desempenho da linhagem industrial PE-2 assim como afetou o desenvolvimento das contaminações com as leveduras rugosas S. cerevisiae na presença ou ausência da bactéria L. fermentum, em fermentações sem reciclo celular. O efeito da contaminação foi mais evidente quando se utilizou caldo de cana do que melaço como substrato, no caso da contaminação com leveduras rugosas, e o inverso no caso da contaminação com L. fermentum. O efeito da contaminação sobre a eficiência fermentativa foi maior na presença da levedura rugosa do que com a bactéria, e a contaminação dupla (tanto com a levedura rugosa quanto com a bactéria) não teve efeito maior sobre a eficiência fermentativa do que a contaminação simples, por um ou por outro micro-organismo isoladamente, especialmente na fermentação em batelada com reciclo celular, independentemente do substrato. Nas fermentações com reciclo de células, o efeito do substrato foi menos evidente. O controle do crescimento das linhagens rugosas pode ser realizado modificando o tratamento ácido normalmente realizado na indústria, seja pela adição de etanol à solução ácida ou pelo abaixamento do pH, dependendo da linhagem rugosa. O tratamento combinado baixo pH (2,0) + 13% etanol afetou a fisiologia da linhagem industrial, trazendo prejuízos à fermentação com reciclo celular, com pequeno controle sobre o crescimento da levedura rugosa e causando morte celular à L. fermentum. A diferença na atividade invertásica entre as linhagens rugosas e industrial de S. cerevisiae pode ser a responsável pela fermentação lenta apresentada pelas linhagens rugosas quando presentes na fermentação, sendo não significativa a influência do substrato sobre a atividade dessa enzima.A little is known about the effect of the substrate and the interaction among wild yeast strains and bacteria Lactobacillus in the alcoholic fermentation, because the studies have been concentrated in the evaluation of the contamination effects by one or another contaminant, separately. This work aimed to evaluate the effect of the substrate and the cell treatment conditions over the batch fermentations contaminated with both microorganisms, yeast wild strains of S. cerevisiae (three strains displaying rough colonies and pseudohyphal cell growth) and Lactobacillus fermentum, being the S. cerevisiae strain PE-2 as the starter yeast. Fermentations using sugarcane juice and molasses, without and with cell recycle, utilizing both the pure culture of PE-2 as the mixed cultures with rough yeast strains and or L. fermentum were carried out. Modifications in the acid cell treatment by the addition of ethanol to the acid solution and the lowering of pH of the acid solution or a treatment with potassium metabisulphite were evaluated, aiming the growth control of the contaminants without affecting the starter yeast. An acid treatment with the addition of 13% ethanol was applied in fermentation with cell recycle, both in sugarcane juice and molasses, utilizing PE-2, one of the rough yeast strains and L. fermentum. The extracellular invertase activity was also evaluated in both substrates for the microorganisms studied, in growing conditions. The type of substrate, sugarcane juice or molasses, influenced the performance of the PE-2 strain as well as affected the development of the contaminations with rough S. cerevisiae yeast strains with or without L. fermentum, in fermentations without cell recycle. The effect of the contamination was more remarkable when sugarcane juice was utilized, in fermentations contaminated with rough yeast strains, but the inverse was observed when L. fermentum was the contaminant. The contamination effect was more harmful with the rough yeast strain than with the bacteria, and the double contamination (with both rough yeast strain and bacteria) did not have a higher effect over the fermentative efficiency than the single contamination, by one or another microorganism in isolation, especially in the batch fermentation with cell recycle, regardless the substrate. In cell-recycled fermentations the effect of the substrate was less evident. The growth control of the rough yeast strains may be done by modifying the acid cell treatment carried out in the industry, both by the addition of ethanol to the acid solution or by the pH lowering, depending on the rough yeast strain. , The combined treatment (pH 2.0 + 13% ethanol) affected PE-2 physiology, bringing about loss in the cell-recycled fermentation, with low growth control of the rough yeast strain but causing cell death of L. fermentum. The difference in the invertase activity between the rough yeast strains and the starter yeast PE-2 may be responsible for the low fermentation rate displayed by the rough yeast strains, but a non significant effect of the substrate on the enzyme activity was observed