Production de Protéines d’Organismes Unicellulaire (POU) : Etude de l’impact de la souche de levure, du type de métabolisme et des conditions de cultures

Single Cell Protein (SCP) production: Study of the impact of yeast species, metabolism type and culture conditions

• Auteur / Autrice : Alexander Anderson
• Direction : Nathalie Gorret, Xavier Cameleyre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FAME - Fermentation Avancée et Génie Microbien
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Molina jouve
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Gorret, Jean-Philippe Steyer, Fadhel Ben chaabane, Jean-Roch Mouret, Xavier Cameleyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Steyer, Fadhel Ben chaabane, Jean-Roch Mouret

Mots clés

Mots clés libres

Protéines d’organismes unicellulaires

Pou

Levures

Fed-batch

Candida utilis

Saccharomyces cerevisiae

Single Cell Protein

Scp

Yeast

Fed-batch

Candida utilis

Saccharomyces cerevisiae

Résumé

Face à l’accroissement de la population mondiale, l’insécurité alimentaire devient un problème majeur. En particulier, les méthodes de production de protéines existantes ne sont ni suffisantes ni assez viables pour répondre aux besoins croissants de l’homme en protéines. Les Protéines d’Organismes Unicellulaires (POU) sont considérées comme une technologie prometteuse qui pourrait réduire la dépendance de l’homme sur les sources de protéines animales et végétales. Cependant, de nombreuses inconnues existent toujours sur l’application de cette technologie. L’objectif de ce travail a été d’étudier la production de POU à partir de levures et plus spécifiquement l’impact du choix de levure, de leur type de métabolisme, de la stratégie ainsi que des conditions de cultures sur leur production à partir de sucres. Dans un premier temps, sept levures ont été comparées en cultures flasques en termes de rendements, de taux maximal de croissances et de teneurs en azotes. Deux levures, Candida utilis et Saccharomyces cerevisiae, ont été retenues pour des études plus approfondies sur l’impact du taux de croissance imposé, l’impact du taux de croissance maximal, l’impact d’un excès de substrat dans le milieu de culture, ainsi que l’effet d’une limitation en O2 sur les performances de croissance et sur la composition des POUs. Les modes de cultures batch et fed-batch ont été utilisées. La biomasse a été analysée par rapport à la teneur en protéine, au profil en acides aminés, à la teneur en acides nucléiques, et dans certains cas, à la digestibilité in vitro. L’effet de la présence d’acides organiques dans le milieu de croissance a été étudié, ainsi que la production de POU en utilisant des mélasses industrielles de betteraves. Dans ces travaux, une nouvelle méthode pour calculer la teneur en protéine des POUs a été développée et vérifiée en utilisant les bilans d’azotes sur la composition de la biomasse. Dans l’ensemble, les résultats ont démontré que le type de métabolisme a été la variable ayant le plus grand effet sur la production de POU. Soit un excès en sucre, soit de la croissance à taux maximal, soit les deux conditions cumulées, ont entraîné une augmentation dans la teneur en protéine des POUs de la levure Crabtree-positive (S. cerevisiae) ainsi qu’une baisse en rendement (gx⸱gs-1). Dans les conditions testées, les variables de la stratégie de culture, des conditions de cultures ainsi que de la composition du milieu de croissance, n’ont pas affecté la composition des POUs de la levure Crabtree-négative (C. utilis).

Global protein demand is increasing and it is widely acknowledged that current protein-production methods are neither sufficient nor sustainable. Single Cell Protein (SCP) refers to the cultivation of protein-rich microorganisms for food and feed applications, and is a promising alternative to conventional protein sources such as animals and plants. However, various aspects of SCP technology remain unknown, hence why industrial production has thus far been limited. The goal of this work was to better understand how yeast species, metabolism type, growth strategy and culture conditions impact SCP production using sugar as substrate. Seven yeast species were first screened in flask batch cultures and compared for yield, maximum growth rate and biomass nitrogen content. Two yeasts – Candid utilis and Saccharomyces cerevisiae – were retained for further testing in bioreactor cultures because this allowed for maximum culture control and analytical capability. Fed-batch and batch cultures were employed to investigate the effects of imposed growth rate, uncontrolled growth, excess substrate, as well as O2-limiting conditions on SCP growth performance and composition. The SCP biomass was analyzed for protein content, amino acid profile, nucleic acid profile, and in some cases, in vitro digestibility. The impact of organic acids on SCP production was also investigated. Lastly, SCP was produced in fed-batch cultures using sugar beet molasses as substrate to test its suitability as a potential industrial SCP feedstock. A new method for calculating SCP protein content was also developed and validated using the biomass composition nitrogen balances from the experiments. The results indicated that yeast metabolism type had the biggest impact on SCP production. Excess sugar and/or uncontrolled growth led to an increase in Crabtree-positive yeast (S. cerevisiae) protein content as well as reduced yields (gx⸱gs-1). The composition of Crabtree-negative yeast (C. utilis) SCP was unaffected by the tested growth strategies, culture conditions and growth media.