Développement d'un procédé de production en bioréacteur de la microalgue Galdieria sulphuraria riche en protéines et antioxydants en utilisant des coproduits de l'industrie laitière comme substrat

Development of a bioreactor production process for the protein- and antioxidant-rich microalgae Galdieria sulphuraria using by-products from the dairy industry as a substrate

• Auteur / Autrice : Marion Champeaud
• Direction : Maryse Laloi, Olivier Cagnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des organismes
• Date : Soutenance le 24/06/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, écologie, géosciences et agrosciences Théodore Monod (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecologie et biologie des interactions - EBI (Poitiers ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Florent Allais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maryse Laloi, Olivier Cagnac, Catherine Bennetau-Pelissero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Wipf, Fayza Daboussi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antioxydants

Protéines végétales

Fermentation

Coproduits

Lactose

Microalgues

Mots clés libres

Galdieria sulphuraria

Coproduits laitiers

Lactose

Bioprocédé

Mixotrophie

Hétérotrophie

Protéines

Phycocyanine

Galdieria sulphuraria

Dairy by-Products

Lactose

Bioprocess

Mixotrophy

Heterotrophy

Proteins

Phycocyanine

Résumé

L'accroissement de la population mondiale et le besoin en protéines d'origine végétale ressenti dans le secteur de la nutrition humaine et animale mettent en avant la nécessité de développer de nouvelles méthodes de production de protéines non animales ayant des vertus nutritives et des procédés de production économiques et écoresponsables. Galdieria sulphuraria est une microalgue pouvant être cultivée en bioréacteur de type industriel et sa composition intracellulaire riche en acides aminés essentiels et phycocyanine en fait une source protéique d'intérêt. Cette espèce a la capacité d'utiliser de nombreux substrats carbonés. La consommation de lactose et d'autres sources de carbone organique présentes dans les coproduits d'industrie laitière n'a pas encore été étudiée ni exploitée. La valorisation du lactosérum ou des perméats lactés est l'une des préoccupations environnementales majeures de l'industrie laitière de nos jours, en particulier le lactosérum acide difficile à traiter à cause de ses fortes teneurs en acides organiques. L'objectif de ce travail est de développer un modèle de fermentation industrialisable permettant l'utilisation de ces sous-produits laitiers pour la production de biomasse micro-algale à valeur ajoutée. Ce travail démontre la capacité de G. sulphuraria à consommer 100% du lactose et la majorité des acides organiques présents dans le perméat de lait et à diminuer sa DCO (Demande chimique en oxygène) de 90% au cours du procédé de production. Le procédé de culture en mode chémostat a permis d'atteindre des performances de croissance de 1g/L/h de biomasse sèche avec une production de 0,45-0,5g/L/h de protéines et 25-35mg/L/h de phycocyanine. La caractérisation des systèmes de transport cellulaire de sucres chez G. sulphuraria suggère que le lactose serait absorbé par un système de co-transport sucre/H+ à faible affinité et capable de transporter plus efficacement le glucose et le galactose.Une analyse de l'expression différentielle des gènes en fonction des conditions de culture a révélé que des gènes codant des transporteurs de sucres et des enzymes du métabolisme carboné sont surexprimés en présence de perméat de lait. De même, l'expression de gènes responsables de la production de phycocyanine est induite en mixotrophie et dans un variant producteur de phycocyanine en hétérotrophie. Enfin, l'analyse des propriétés nutritionnelles de la biomasse de G. sulphuraria montre une teneur importante en acides aminés essentiels et une digestibilité des protéines de 92,2% donnant un PDCAAS (Score des Acides Aminés Corrigé en fonction de la Digestibilité des Protéines) de 0,9. Ce produit est également riche en vitamines, fer et magnésium et a des propriétés antioxydantes prouvées in vitro.

The increase of the world population and the need for proteins of plant origin demanded by the sectors of human and animal nutrition highlights the need to develop new methods of producing nutritious animal-free proteins through cost-effective and sustainable production processes. Galdieria sulphuraria is a microalga that can be grown in industrial bioreactors and its composition rich in essential amino acids and phycocyanin makes it a protein source of interest. This species has the capacity to use many carbon substrates. The consumption of lactose and other sources of organic carbon present in dairy by-products has not yet been studied nor exploited. The valorization of whey or milk permeate is one of the major environmental concerns of the dairy industry today, especially acid whey, which is difficult to treat due to its high levels of organic acids.The objective of this work is to develop a fermentation process that could be scaled industrially allowing the use of these dairy by-products for the production of value-added microalgal biomass. G. sulphuraria is able to consume 100% of lactose and the majority of organic acids present in the milk permeate, decreasing its COD (Chemical Oxygen Demand) by 90% during the process. Culture in chemostat mode has achieved growth performance of 1g/L/h of dry biomass with a production of 0.45-0.5g/L/h of protein and 25-35mg/L/h of phycocyanin.Characterization of sugar cell transport systems in G. sulphuraria suggests that lactose is absorbed by a low affinity sugar/H+ co-transport system able to also transport glucose and galactose with greater affinity. Differential gene expression study in different growth conditions revealed that some genes encoding sugar transporter and enzymes of carbon metabolism are overexpressed in milk permeate growth medium. Genes responsible for phycocyanin production were overexpressed under mixotrophic conditions and in a variant that produces phycocyanin in heterotrophy.Finally, an analysis of the nutritional properties of the G. sulphuraria biomass confirmed a high content of essential amino acids and a protein digestibility of 92.2%, giving a PDCAAS (Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score) of 0.9. This product is also rich in vitamins, iron and magnesium and has proven antioxidant properties in vitro.