Advances in coffee fermentation technology : study of the microbial diversity by next-generation sequencing and evaluation of a new bioreactor system

Abstract

Resumo:A produção e exportação do café é uma grande força motriz para a economia dos principais países produtores, tais como Brasil, Honduras e Colômbia, chegando a contribuir em mais de 3% para o Produto Interno Bruto (PIB). No entanto, não há o reflexo desse impacto econômico nas linhas produtivas de café, uma vez que a etapa de processamento pós-colheita ocorre de maneira rudimentar. Por essa razão, o presente trabalho visou: i) o estudo da diversidade, composição e dinâmica de leveduras e bactérias durante o processo fermentativo dos grãos de café; ii) e o estudo do comportamento de fermentações (i.e. espontânea e inoculada) conduzidas em biorreatores de tanque agitado em condições controladas de temperatura, agitação e aeração. Em fermentações espontâneas e em condições de campo na região de Minas Gerais, o sequenciamento do gene ITS-rRNA revelou que a população de leveduras foi representada, principalmente, por Saccharomyces sp., seguido de Torulaspora delbrueckii, Pichia kluyveri, Hanseniaspora uvarum, H. vineae, e Meyerozyma caribicca. Utilizando a técnica de Sequenciamento de Nova Geração na plataforma Illumina, foi possível observar a presença de mais de 80 gêneros bacterianos, muitos dos quais foram descritos pela primeira vez em uma fermentação de grãos de café. Dentre estes estão inclusos Fructobacillus, Pseudonocardia, Pedobacter, Sphingomonas e Hymenobacter. A análise temporal demonstrou uma forte dominância de bactérias láticas, representando mais de 97% do total de sequências analisadas ao final da fermentação. As fermentações de café conduzidas em bioreatores em condições controladas permitiram um crescimento eficiente das culturas iniciadoras Lactobacillus plantarum LPBR01 (pico de 10,7 log CFU/mL em 10 h) e Pichia fermentans YC5.2 (8,85 log CFU/mL), resultando em uma rápida acidificação do meio (pH <4,0 em 6 h), elevadas produções de ácido lático (8,602 g/L) e acetato de etila (pico de 97,93 ?mol/L em 8 h). A difusão desses compostos para o interior do grão resultou em bebidas com notas sensoriais superiores a 91 pontos na escala Specialty Coffee Association of America (SCAA), a qual foi significativamente superior às bebidas produzidas pelo método convencional. Este novo modelo de fermentação pode ser utilizado para conduzir fermentações de café controladas e fornecer grãos homogêneos e de elevada qualidade para a indústria

Abstract: The production and export of coffee is a major driving force for the economy of the main producing countries, such as Brazil, Honduras and Colombia, which contributes with over 3% of the Gross Domestic Product (GDP). However, there is no reflection of this economic impact on coffee production sites, since the post-harvest processing stage occurs rudimentary. For this reason, the present work aimed at: i) the study of the diversity, composition and dynamics of yeasts and bacteria during the fermentative process of coffee beans; ii) and the behavior study of fermentations (i.e., spontaneous and inoculated) conducted in stirred tank bioreactors under controlled conditions of temperature, agitation and aeration. In spontaneous fermentations conduced at on-farm conditions at Minas Gerais region, the sequencing of the ITSrRNA gene revealed that the yeast population was represented mainly by Saccharomyces sp., followed by Torulaspora delbrueckii, Pichia kluyveri, Hanseniaspora uvarum, H. vineae, and Meyerozyma caribicca. The New Generation Sequencing technique on the Illumina platform revealed the presence of over 80 bacterial genera, many of which were described for the first time in coffee beans fermentation. These include Fructobacillus, Pseudonocardia, Pedobacter, Sphingomonas and Hymenobacter. The temporal analysis demonstrated a strong dominance of lactic bacteria, representing more than 97% of the total read sequences at the end of the fermentation. The coffee fermentations conducted in bioreactors under controlled conditions allowed efficient growth of the Lactobacillus plantarum LPBR01 (peak of 10.7 log CFU/mL in 10 h) and Pichia fermentans YC5.2 (8.85 log CFU/mL) starter cultures. This domination resulted in a rapid acidification of the coffee-pulp bean mass (pH <4.0 in 6 h) and high production of lactic acid (8.602 g / L) and ethyl acetate (peak of 97.93 ?mol/L in 8 h). The diffusion of these compounds into the beans resulted in beverages scores above 91 points on the Specialty Coffee Association of America (SCAA) scale, which was significantly higher than those produced by the conventional method. This new fermentation model can be used to conduct controlled coffee fermentations and provide homogenous and high quality grains for the industry