Le rôle principal d’un milieu de fermentation est de répondre aux besoins nutritionnels des micro-organismes. Les sources de carbone et d’azote, les sels minéraux ainsi que différents facteurs de croissance fournissent les conditions de base nécessaires à la croissance et au métabolisme microbiens. L’ajustement de ces nutriments en fonction de la souche microbienne et de l’objectif de fermentation reste l’une des approches les plus courantes pour optimiser le milieu de culture.
Cependant, dans la production de produits microbiens, la fermentation ne constitue pas la fin du processus.
Dans le cas des produits microbiens destinés à l’agriculture, même lorsqu’un nombre élevé de cellules viables est obtenu à la fin de la fermentation, les micro-organismes doivent encore passer par le stockage, le transport et des étapes de transformation en aval telles que le séchage par atomisation (spray drying). Une fois appliqués au champ, leur capacité à coloniser, à former des biofilms et à exercer de manière constante des effets favorisant la croissance des plantes ou des effets antimicrobiens influence directement la performance du produit.
La fermentation destinée à la production de métabolites microbiens présente une situation différente. Une biomasse microbienne élevée ne se traduit pas nécessairement par un rendement élevé du produit cible ; l’état métabolique des cellules au cours de la fermentation est tout aussi important.
Traditionnellement, ces défis sont principalement abordés par la sélection des souches, l’optimisation des procédés de fermentation et les technologies de formulation. Nos études d’application sur les polysaccharides d’algues vertes suggèrent cependant qu’il existe également un potentiel supplémentaire à explorer au niveau du milieu de fermentation lui-même.
Un milieu de fermentation peut-il faire plus que fournir des nutriments ?
Qingdao Seawin Biotech Group travaille depuis de nombreuses années au développement des ressources biologiques marines. Les polysaccharides d’algues vertes ont initialement été étudiés et utilisés principalement comme biostimulants végétaux. Ces dernières années, nous avons progressivement étendu leur application à différents systèmes microbiens.
Nos premiers essais avaient un objectif relativement simple : déterminer si les polysaccharides d’algues vertes pouvaient améliorer la stabilité des produits microbiens agricoles. Au fur et à mesure de l’avancement de nos études, nous avons observé d’autres changements, notamment au niveau de la tolérance des micro-organismes aux procédés en aval, de la formation de biofilms, de la production de métabolites fonctionnels et du rendement en produits cibles dans des souches microbiennes modifiées.
Ces observations nous ont amenés à reconsidérer le rôle que les polysaccharides d’algues vertes peuvent jouer dans les systèmes de fermentation.
Les polysaccharides d’algues vertes ne constituent pas un ingrédient de milieu à composant unique. Les polysaccharides utilisés par Seawin Biotech sont issus d’algues vertes naturelles. Outre des polysaccharides caractérisés par une proportion élevée de rhamnose, ils contiennent également des protéines, des acides aminés, des acides gras ainsi que des minéraux tels que le calcium, le magnésium et le zinc. La composition naturellement complexe des extraits d’algues vertes a également été largement rapportée dans différentes études.
Lorsque les polysaccharides d’algues vertes sont introduits dans un système de fermentation, les sucres disponibles, les protéines et d’autres nutriments peuvent être utilisés pour la croissance et le métabolisme microbiens, tandis que certains composants qui ne sont pas entièrement utilisés par les micro-organismes restent dans le bouillon de fermentation.
À de faibles niveaux d’incorporation, leur rôle est principalement associé à l’apport nutritionnel. Lorsque le niveau d’incorporation augmente, une quantité plus importante de composants fonctionnels reste dans le bouillon, et ces composants résiduels peuvent contribuer davantage à la protection cellulaire ainsi qu’à d’autres processus fonctionnels.
Cela crée une distinction pratique importante.
La conception conventionnelle d’un milieu de fermentation se concentre principalement sur la manière dont les nutriments favorisent la croissance microbienne et la formation du produit. Dans le cas des polysaccharides d’algues vertes, cependant, la fraction utilisée par les micro-organismes et celle qui reste dans le bouillon de fermentation peuvent apporter des bénéfices fonctionnels différents.
La première participe au processus de fermentation, tandis que la seconde reste dans le bouillon au cours des étapes de transformation en aval et peut être conservée jusqu’au produit final.
Dans nos études actuelles, différents niveaux d’amélioration ont été observés concernant la survie microbienne pendant le stockage, le nombre de cellules viables après séchage par atomisation et les performances fonctionnelles des micro-organismes. Dans certains systèmes utilisant des micro-organismes modifiés, l’augmentation du niveau d’incorporation des polysaccharides d’algues vertes a également entraîné une augmentation nette du rendement du produit cible.
Ces observations ne peuvent pas être attribuées à un mécanisme unique.
La supplémentation nutritionnelle peut contribuer à certains de ces effets, mais elle n’explique pas entièrement l’ensemble des résultats observés jusqu’à présent. Il reste à déterminer si les polysaccharides d’algues vertes et les composants naturels qui leur sont associés interviennent également dans la protection des cellules microbiennes, la formation de biofilms ou certains processus métaboliques.
Par ailleurs, l’utilisation de ces composants peut varier selon les souches microbiennes et les conditions de fermentation. Le niveau d’incorporation approprié doit donc être déterminé pour chaque système de fermentation spécifique.
Milieu de Fermentation Biostimulant
La recherche sur les biostimulants végétaux a permis d’établir une compréhension relativement claire : leur valeur ne réside pas principalement dans la quantité de nutriments qu’ils apportent aux plantes, mais dans leurs effets sur les processus nutritionnels, l’état physiologique des plantes et leur adaptation aux conditions environnementales.
Les résultats observés avec les polysaccharides d’algues vertes dans les systèmes microbiens nous ont conduits à une perspective similaire.
Si certains composants naturels présents dans un milieu de fermentation peuvent fournir des nutriments tout en améliorant l’état physiologique des micro-organismes pendant la fermentation, le stockage et les étapes de transformation en aval, ou encore influencer leurs fonctions et leur métabolisme cible, un tel milieu va au-delà du rôle conventionnel de simple apport nutritionnel.
Sur la base de ces observations, Seawin Biotech propose le concept de « Milieu de Fermentation Biostimulant » (Biostimulatory Fermentation Medium).
Selon notre compréhension actuelle, un Milieu de Fermentation Biostimulant répond aux besoins nutritionnels fondamentaux des micro-organismes tout en intégrant des composants fonctionnels naturels susceptibles d’améliorer leur état physiologique, leur tolérance au stress environnemental ou leurs performances fonctionnelles et, dans des conditions appropriées, de favoriser le métabolisme cible.
Ce concept n’a pas pour objectif de définir une formulation fixe de milieu de fermentation.
Les différents micro-organismes ont des besoins nutritionnels différents, et il est peu probable que les polysaccharides d’algues vertes soient les seuls composants fonctionnels capables de jouer un tel rôle.
Ce concept introduit plutôt un élément supplémentaire dans la conception des milieux de fermentation, auquel une attention relativement limitée a été accordée jusqu’à présent :
Dans quel état physiologique et fonctionnel souhaitons-nous que les micro-organismes se trouvent à la fin de la fermentation ?
Pour les produits microbiens liquides, cela peut signifier maintenir un nombre élevé de cellules viables après le stockage. Pour les produits microbiens en poudre, cela peut signifier réduire les pertes cellulaires au cours du séchage.
Pour les micro-organismes utilisés dans le biocontrôle et la stimulation de la croissance des plantes, la formation de biofilms, la colonisation et le métabolisme fonctionnel doivent également être pris en compte. Pour les micro-organismes modifiés, l’attention peut davantage se porter sur la formation du produit cible.
Dans cette perspective, la biomasse, le temps de fermentation et l’utilisation du substrat restent des paramètres importants, mais l’évaluation d’un milieu de fermentation peut être élargie afin d’inclure également son impact sur les étapes de transformation en aval et les performances du produit final.
Les recherches menées par Seawin Biotech dans ce domaine sont encore au stade de l’exploration appliquée.
Les résultats observés jusqu’à présent comprennent des variations du nombre de cellules viables après stockage à haute température, de la survie cellulaire après séchage par atomisation, de paramètres fonctionnels tels que la formation de biofilms et la production d’IAA, ainsi que des variations du rendement des produits cibles dans différents systèmes utilisant des micro-organismes modifiés.
Ces résultats indiquent que les polysaccharides d’algues vertes produisent, dans différents systèmes de fermentation, des effets qui méritent d’être étudiés plus en profondeur. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour distinguer les effets associés à leur utilisation nutritionnelle de ceux pouvant impliquer des mécanismes de protection cellulaire ou des processus métaboliques.
Dans les deux prochains articles, nous présenterons plus en détail ces résultats expérimentaux.
Le premier portera sur les produits microbiens destinés à l’agriculture, notamment la stabilité au stockage, le séchage par atomisation et les performances fonctionnelles microbiennes.
Le second examinera l’application des polysaccharides d’algues vertes dans la fermentation utilisant des micro-organismes modifiés ainsi que dans la production de produits cibles.
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