Sourdough biotechnology for improving bread nutritional properties

Abstract

A fermentação sourdough tem sido estudada por sua capacidade de melhorar as propriedades sensoriais, nutricionais e tecnológicas de pães, resultado do metabolismo da comunidade microbiana do sourdough, composta principalmente por bactérias ácido-láticas (BAL) e leveduras. O objetivo deste estudo foi caracterizar a evolução da comunidade microbiana de sourdoughs produzidos no Brasil durante as etapas de preparo (propagação) e investigar os efeitos da fermentação sourdough na concentração de FODMAPs (do inglês, Fermentable Oligosaccharides, Disaccharides, Monosaccharides and Polyols) em pães. FODMAPs são uma classe de carboidratos associados ao desencadeamento dos sintomas da Síndrome do Intestino Irritável (SII) e da Sensibilidade Não Celíaca ao Glúten (SNCG). Duas temperaturas foram testadas para propagação, 21 ºC ± 1ºC (SD1) e 30 ºC ± 1ºC (SD2). A composição microbiana dos sourdoughs foi investigada por métodos dependentes e independentes de cultivo. A concentração de FODMAPs foi avaliada por métodos enzimáticos e por Cromatografia Líquida acoplada à Espectrometria de Massas (LC/MS-MS). A comunidade microbiana da farinha de trigo foi composta exclusivamente por Proteobacteria (Escherichia hermannii, Kosakonia cowanii, Pantoea ananatis e algumas espécies de Pseudomonas). BAL foram detectados somente após a primeira etapa de propagação (BS1) e tornaram-se predominantes (Lactobacillus farciminis e Lactobacillus curvatus) após a quarta etapa (BS4). A partir desta etapa, a diferença entre as temperaturas afetou a dinâmica microbiana entre os dois tratamentos. Ao final, a comunidade microbiana do SD1 foi composta exclusivamente por BAL (L. farciminis, L. curvatus, Leuconostoc citreum e Pediococcus pentosaceus). Bacillus, Pseudomonas, Enterococcus e enterobacteria foram inibidos gradualmente durante a propagação e não foram detectados na etapa final. Por outro lado, a temperatura de 30 ºC ± 1ºC favoreceu a presença de bactérias atípicas (que não BAL) para o SD2. L. farciminis e Escherichia hermannii foram dominantes. Clostridium, Bacillus, Enterococcus foram inibidos, no entanto, Kosakonia cowanii, Pantoea ananatis e algumas espécies de Pseudomonas ainda estavam presentes ao final da propagação. Em relação aos FODMAPs, sacarose, frutose e glicose foram completamente consumidas a partir da primeira etapa de fermentação, enquanto os demais subgrupos dos FODMAPs tiveram suas concentrações reduzidas após a terceira e quarta etapas de fermentação, coincidindo com o predomínio da BAL na comunidade microbiana. Os pães fermentados por sourdough apresentaram maiores proporções de ácidos orgânicos e menor concentração de sacarose, frutose, glicose e frutanos comparados aos pães fermentados por Saccharomyces cerevisiae. A concentração de frutanos, o subgrupo mais importante de FODMAPs, foi de 40 a 62% menor nos pães sourdough. Portanto, a fermentação sourdough representa uma alternativa promissora para o desenvolvimento de pães que possam ser consumidos por indivíduos que possuam SSI e/ou SNCG.

Abstract : The sourdough fermentation has been studied for its ability to improve sensory, nutritional and technological properties of breads. These effects are the result of the metabolism of its microbial community, composed mainly of lactic acid bacteria (LAB) and yeasts. The objective of this study was to characterize the evolution of the microbial community of sourdoughs produced in Brazil during the steps of preparation (propagation) and to investigate the effects of sourdough fermentation on the concentration of FODMAPs (Fermentable Oligosaccharides, Disaccharides, Monosaccharides and Polyols) in breads. FODMAPs are a class of carbohydrates associated with triggering the symptoms of Irritable Bowel Syndrome (IBS) and Non-Celiac Gluten Sensitivity (NCGS). Two temperatures were tested for propagation, 21 °C (SD1) and 30 °C (SD2). The microbial composition of the sourdoughs was investigated by dependent and independent culture methods. The concentration of FODMAPs was evaluated by enzymatic methods and by Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (LC/MS-MS). The microbial community of wheat flour was composed exclusively of Proteobacteria (Escherichia hermannii, Kosakonia cowanii, Pantoea ananatis and some species of Pseudomonas). BAL were detected only after the first stage of propagation (BS1) and became predominant (Lactobacillus farciminis and Lactobacillus curvatus) after the fourth step (BS4). From this step, the difference between the temperatures affected the microbial dynamics between the two treatments. In the end, the microbial community of SD1 was composed exclusively of LAB (L. farciminis, L. curvatus, Leuconostoc citreum and Pediococcus pentosaceus). Bacillus, Pseudomonas, Enterococcus and enterobacteria were gradually inhibited during propagation and were not detected in the final step. On the other hand, the temperature of 30 ºC ± 1ºC favored the presence of atypical bacteria (non-LAB) for SD2. L. farciminis and Escherichia hermannii were dominant. Clostridium, Bacillus, Enterococcus were inhibited, however, Kosakonia cowanii, Pantoea ananatis and some species of Pseudomonas were still present at the end of the propagation. Regarding FODMAPs, sucrose, fructose and glucose were completely consumed from the first step of fermentation, while the other subgroups of the FODMAPs had their concentrations reduced after the third and fourth steps of fermentation, coinciding with the predominance of LAB in the microbial community. The sourdough breads presented higher proportions of organic acids and a lower concentration of sucrose, fructose, glucose and fructans compared to breads fermented by Saccharomyces cerevisiae. The fructan concentration, the most important subgroup of FODMAPs was 40 to 62% lower in sourdough breads. Therefore, sourdough fermentation represents a promising alternative for the development of breads that can be consumed by IBS- and/or NCGS-sufferers.