Coating forming agents as carriers of the biocontrol agent Candida sake with antifungal effect against Botrytis cinerea on grapes

Abstract

[EN] The biocontrol agent (BCA) Candida sake CPA-1, has proven to be effective against the pathogenic fungus Botrytis cinerea, causing agent of grey mold in many fruits. The aim of this Thesis was to develop biocontrol products (BCP), based on this BCA and coating forming agents (CFAs) with good stability and efficacy against fungus infection. Several formulations of CFAs, based on biopolymers (hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), corn starch (S), sodium caseinate (NaCas) and pea protein (PP)), combined with surfactants (oleic acid (OA), Span 80 (S80) and Tween 85 (T85)), were obtained and analyzed as to their ability to improve the adherence, survival and efficacy of C. sake on grapes. The functionality of these formulations as coatings was also analyzed with and without yeast cells. Likewise, dry formulations based on low cost CFAs (starch derivatives) and C. sake were obtained by means of fluidized-bed drying and their physical and microbiological stability were studied as a function of product moisture content. The application of C. sake in combination with CFAs permitted an improvement in the initial adherence of the yeast on the surface of grapes and also higher survival rates. The protein-based coatings (NaCas and PP), both with and without surfactants showed the best results, suggesting that these matrices are more adequate supports for the BCA. CFAs also enhanced the efficacy of the BCA efficacy at controlling grey mold with respect to C. sake applied in water. NaCas and PP, and also some of the formulations based on S, exhibited the highest reduction values as regards to the incidence and severity of the infection. When the main properties of the coating forming dispersions and films were analyzed, it could be observed that the type of polymer, more than the presence or type of surfactant, greatly influenced the obtained values. The viability of C. sake on the different matrices was greatly reduced during storage at 25°C. However, protein-based coatings showed slightly higher counts. The coatings formed were not estimated to be tick and so they did not represent a relevant barrier to the gas exchanges of the fruit, although they were sufficient to improve the performance of C. sake as BCA. The physical stability of the different BCPs based on C. sake and starch derivatives (potato starch, pre-gelatinized potato starch and maltodextrins) was ensured below a water activity (aW) of 0.75 at room temperature, since BCPs were in a glassy state. However, the viability of C. sake at 20°C over time was greatly affected by the aW. Thus, whereas an aW ¿ 0.43 caused fast reductions in the viability of the BCA in all of the formulations, an aW ¿ 0.33 better preserved the viability of the yeast. This is a key factor since 0.33 is the aW value of a newly dried product and its moisturizing must be avoided in order to maintain its effectiveness in terms of cell viability. Nevertheless, 20°C was considered a non-adequate temperature since, even at low aW, a remarkable decline in viable cells was observed. However, cold storage of BCPs at 5°C allowed for a very good preservation of viable cells even after 6 months. A BCP based on maltodextrins as the main carrier was the formulation that showed the best potential to formulate C. sake in terms of the cell viability preservation and feasibility of in-field application due to its faster water solubilization.

[ES] El agente de biocontrol (ABC) Candida sake CPA-1 ha demostrado ser efectivo frente al hongo patogénico Botrytis cinerea, el agente causante de la podredumbre gris en muchas frutas. El objetivo de esta Tesis fue el desarrollo de productos de biocontrol (PBC) basados en este ABC y agentes formadores de recubrimiento (AFRs), con una buena estabilidad y efectividad frente a la infección fúngica. Se obtuvieron diversas formulaciones de AFRs, basadas en biopolímeros (hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), almidón de maíz (AM), caseinato sódico (NaCas) y proteína de guisantes (PG)), combinados con tensoactivos (ácido oleico (AO), Span 80 (S80) y Tween 85 (T85)). Todas ellas se analizaron en su capacidad para mejorar la adherencia, supervivencia y eficacia de C. sake en uvas. Se estudio también la funcionalidad de estas formulaciones como recubrimientos con y sin la incorporación de células de la levadura. Asimismo, se obtuvieron formulados secos basados en AFRs de bajo coste (derivados de almidón) y C. sake por secado en lecho fluido y su estabilidad física y microbiológica fue estudiada en función de su contenido en humedad. La aplicación de C. sake en combinación con AFRs permitió una mejora de la adherencia inicial de la levadura en la superficie de uvas y también una mayor supervivencia. Los recubrimientos basados en proteínas (NaCas y PG) con y sin tensoactivos mostraron los mejores resultados, sugiriendo que estas matrices son soportes más adecuados para el ABC. Los AFRs también mejoraron la efectividad del ABC en el control de la podredumbre gris en comparación con C. sake aplicada con agua. NaCas y PG, así como algunas de las formulaciones basadas en AM, dieron lugar a los valores más elevados de reducción de la incidencia y severidad de la infección. Cuando se analizaron las principales propiedades de las dispersiones formadoras de recubrimiento y las películas, se pudo observar que el tipo de polímero, más que la presencia o tipo de tensoactivo, afectó considerablemente los valores obtenidos. La viabilidad de C. sake en las distintas matrices se vio muy afectada durante su almacenamiento a 25°C. Sin embargo, los recubrimientos a base de proteínas mostraron recuentos ligeramente superiores. El espesor estimado de los recubrimientos formados en las uvas fue muy bajo, por lo que éstos no supusieron un efecto barrera relevante para los intercambios de gases de la fruta, aunque fueron suficientes para mejorar la función de C. sake como ABC. La estabilidad física de los diferentes PBCs basados en C. sake y derivados de almidón (almidón de patata, almidón de patata pregelatinizado y maltodextrinas) quedó asegurada a actividades de agua (aW) por debajo de 0.75 a temperatura ambiente, ya que los PBCs se encontraban en estado vítreo. Sin embargo, la viabilidad de C. sake a 25°C durante el tiempo se vio altamente disminuida. Mientras valores de aW ¿ 0.43 causaron rápidas reducciones en la viabilidad del ABC en todas las formulaciones, valores de aW ¿ 0.33 preservaron mejor la viabilidad de la levadura. Esto es un factor clave ya que 0.33 es el valor de aW de los productos recién obtenidos, por lo que su hidratación debe evitarse para mantener su efectividad en términos de viabilidad celular. No obstante, 20°C no fue considerada una temperatura de conservación adecuada ya que, incluso a valores bajos de aW, se observó un marcado descenso en el número de células viables. Por su parte, el almacenamiento en frío a 5°C permitió un muy buen mantenimiento de células viables, incluso tras 6 meses de almacenamiento. El PBC basado en maltodextrinas como soporte principal fue el formulado que mostró el mejor potencial para formular C. sake en términos de mantenimiento de la viabilidad celular y practicidad para su aplicación en campo, debido a su rápida solubilidad en agua.

[CA] L'agent de biocontrol (ABC) Candida sake CPA-1 ha demostrat s'efectiu enfront del fong patogènic Botrytis cinerea, l'agent causal de la podridura grisa en moltes fruites. L'objectiu d'aquesta Tesi va ser el desenvolupament de productes de biocontrol (PBC) basats en aquest ABC i agents formadors de recobriment (AFRs), amb una bona estabilitat i efectivitat enfront de la infecció fúngica. Es van obtindre diverses formulacions d'AFRs, basades en biopolímers (hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), midó de dacsa (M), caseinat sòdic (NaCas) i proteïna de pésol (PP)), combinats amb tensoactius (acid oleic (AO), Span 80 (S80) i Tween 85 (T85)). Totes elles van ser analitzades en la seua capacitat per a millorar l'adherència, supervivència i eficàcia de C. sake en raïm. La funcionalitat com a recobriments d'aquestes formulacions també va ser estudiada amb i sense la incorporació de cèl·lules del llevat. Tanmateix, es van obtindre formulats secs basats en AFRs de baix cost (derivats de midó) i C. sake per assecat en llit fluiditzat i la seua estabilitat física i microbiològica va ser estudiada en funció del seu contingut en humitat. L'aplicació de C. sake en combinació amb AFRs va permetre una millora de l'adherència inicial del llevat sobre la superfície de raïm i també una major supervivència. Els recobriments basats en proteïnes (NaCas i PP) amb i sense tensoactius van mostrar els millors resultats, suggerint que aquestes matrius són suports més adequats per a l'ABC. Els AFRs també van millorar l'efectivitat de l'ABC en el control de la podridura grisa en comparació amb C. sake aplicada amb aigua. NaCas i PP, així com algunes de les formulacions basades en M, van donar lloc als valors més elevats de reducció de la incidència i severitat de la infecció. Quan les principals propietats de les dispersions formadores de recobriment i pel·lícules van ser analitzades, es va poder observar que el tipus de polímer, més que la presència o tipus de tensoactiu, va afectar considerablement els valors obtinguts. La viabilitat de C. sake en les diferents matrius es va veure molt afectada durant el seu emmagatzemament a 25°C. No obstant això, els recobriments a base de proteïnes van mostrar recomptes lleugerament superiors. La grossària estimada dels recobriments formats en el raïm va ser molt baixa, per la qual cosa aquests no van suposar un efecte barrera rellevant per als intercanvis de gasos de la fruita, encara que van ser suficients per a millorar la funció de C. sake com ABC. L'estabilitat física dels diferents PBCs basats en C. sake i derivats de midó (midó de creïlla, midó de creïlla pregelatinitzat i maltodextrines) va quedar assegurada a activitats d'aigua (aW) per davall de 0.75 a temperatura ambient, ja que els PBCs es trobaven en estat vitri. No obstant això, la viabilitat de C. sake a 25°C durant el temps es va veure altament afectada. Mentre que valors d'aW ¿ 0.43 van causar ràpides reduccions en la viabilitat de l'ABC en totes les formulacions, valors d'aW ¿ 0.33 an preservar millor la viabilitat del llevat. Açò és un factor clau ja que 0.33 és el valor d'aW dels productes acabats d'obtindre, per la qual cosa la seua hidratació ha d'evitar-se per a mantindre la seua efectivitat en termes de viabilitat cel·lular. No obstant això, 20°C va ser considerada una temperatura no adequada ja que, fins i tot a valors d'aW baixos, un marcat descens en el nombre de cèl·lules viables va ser observat. Per la seua banda, l'emmagatzemament en fred a 5°C va permetre un molt bon manteniment de cèl·lules viables, fins i tot després de 6 mesos. El PBC basat en maltodextrines com a suport principal va ser el formulat que va mostrar el millor potencial per a formular C. sake en termes de manteniment de la viabilitat cel·lular i practicitat per a la seua aplicació en camp, degut a la seua ràpida solubilitat en aigua.