CC BY
69
УДК 559.62
О НЕКОТОРЫХ ЭФФЕКТАХ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ДРОЖЖЕВЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
Н.А.Глущенко
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов НовГУ, nikolai.gluschenko@novsu.ru
Приведено описание установки для проведения электронно-ионной обработки дрожжевых микроорганизмов. Исследовано влияние электронно-ионной обработки на изменение жизнеспособности дрожжевых клеток. Ключевые слова: электронно-ионная обработка, дрожжевая клетка, пивные дрожжи
The description of the set for the electron-ion treatment of yeast organisms is given. The influence of electron-ion treatment on the change in the viability of yeast cells is studied. Keywords: electron-ion treatment, yeast cells, beer yeast
Биология и биохимия дрожжевых микроорганизмов всесторонне изучается: ежегодно публикуется большое количество статей, расширяющих представление о дрожжевых клетках как о микроорганизмах [14]. Биология дрожжевой клетки тесно связана с условиями ее существования. Хорошо известно, что направленность протекающих в клетке биохимических
процессов зависит от таких факторов, как аэрация среды, температура и активная кислотность, от наличия в среде веществ, обеспечивающих основную функцию дрожжей — рост, размножение и накопление веществ.
Объектом исследования в нашей работе явились пивные дрожжи Saccharomyces cerevisiae немецких рас Rh, Ш^т и N.
Клетки дрожжей рас Rh, He-Bru и N могут быть сферической, яйцеобразной, эллиптической или продолговатой формы.
Клетки могут встречаться по одной, парами, реже в виде коротких цепей или маленьких сгустков.
Флокуляция дрожжевых клеток средняя. Температура внесения дрожжей 7-10°С, брожения — 10-15°С.
Штаммы Rh, He-Bru и N — хлопьевидные дрожжи низового брожения. Для них характерна высокая скорость брожения на протяжении всего процесса. Это обусловлено их быстрым размножением к началу брожения, а также высокой концентрацией находящихся во взвешенном состоянии дрожжевых клеток в процессе брожения.
При условии хорошей аэрации сусла, достаточного обеспечения аминным азотом, макро- и микроэлементами и концентрации 15-20 106 клеток/см3 при задаче в начале брожения наблюдается быстрое увеличение числа клеток и достигается их высокая концентрация в суспензии (50-60 106 клеток/см3). К концу брожения дрожжи флокулируют практически полностью. Образование диацетила незначительно. К концу брожения диацетил полностью разлагается.
При проведении исследований использовали генерации дрожжей, полученные из чистой культуры штамма Rh, He-Bru и N и поставленные из дрожжевого банка VLB, Берлин, Германия.
Предметом исследования явилось определение возможности управления жизнедеятельностью пивных дрожжей рас Rh, He-Bru и N посредством влияния электронно-ионной обработки (ЭИО) на изменение количества нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды обработки.
В соответствии с поставленными задачами были проведены следующие исследования.
1. Для исследования влияния ЭИО на пивные дрожжи в лабораторных условиях использовали опытную установку управления активностью микроорганизмов УАМ-1 (см. рис.1) [1].
Рис.1. Схема опытной экспериментальной лабораторной установки: 1 — корпус установки; 2 — обрабатываемый материал; 3 — заземленный электрод; 4 — электроблок установки; 5 — винт для регулирования расстояния между электродами; 6 — установочная шкала; 7 — пульт управления
Характеристика установки: — назначение: создание поля коронного разряда для ЭИО дрожжей с целью активизации брожения;
— напряжение постоянного тока, подаваемое на коронирующий электрод, — 25 кВ;
— напряженность неоднородного электрического поля, создаваемая в межэлектродном пространстве, варьирует от 1 до 4 кВ/см;
— обрабатываемый материал (дрожжевая суспензия, вода, сусло) в диэлектрических кюветах (чашках Петри) устанавливается на заземленный электрод в межэлектродное пространство.
Работает установка следующим образом. На коронирующий электрод подается отрицательный потенциал высокого напряжения. В межэлектродном пространстве образуется неоднородное электрическое поле коронного разряда. В результате этого на обрабатываемый объект оказывают влияние несколько физических факторов — неоднородное электрическое поле, характеризующееся напряженностью, поток заряженных частиц (ионов), определяемый их концентрацией, электроактивированный воздух.
2. Был поставлен эксперимент по определению влияния ЭИО на качество дрожжевых клеток в трех различных средах: «ЭИО (дрожжи + вода)» (к 8 г активированных дрожжей добавляли 20 см3 дистиллированной воды); «ЭИО (дрожжи + сусло)» (к 8 г активированных дрожжей добавляли 20 см3 сусла); «ЭИО вода + дрожжи» (обрабатывали 20 см3 воды и добавляли 8 г дрожжей).
При выборе среды для ЭИО дрожжей в лабораторных условиях мы исходили из возможных существующих технологических схем производства пива:
— в период хранения производственные дрожжи находятся под водой и среда «ЭИО (дрожжи + вода)» соответствует расположению аппарата ЭИО на аппарате хранения дрожжей;
— среда «ЭИО (дрожжи + сусло)» соответствует расположению аппарата ЭИО на технологическом трубопроводе подачи дрожжей в бродильный аппарат. ЭИО воздействуют на дрожжи в потоке на момент их задачи в бродильный аппарат;
— среда «ЭИО вода + дрожжи» соответствует расположению аппарата ЭИО в трубопроводе подачи холодной воды в аппарат хранения дрожжей для промывки дрожжей в период длительного хранения.
3. На каждую среду воздействовали ЭИО по 10, 25, 40 с. В итоге получили 9 вариантов опыта и один контрольный.
4. Эксперимент был проведен в пятикратной повторности, при этом учитывали среднеарифметические значения полученных данных.
5. Лабораторные исследования провели для четырех режимов ЭИО: I — напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве — 1 кВ/см; II — 2 кВ/см; III — 3 кВ/см; IV — 4 кВ/см.
6. Толщина обрабатываемого слоя дрожжей была принята из рекомендаций предыдущих исследователей [1 и др.] и составила 5 мм.
Результаты работы по изучению влияния ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды обработки приведены на рис.2-5. Графики построены для трех опытных сред: «ЭИО (дрожжи + вода)», «ЭИО (дрожжи + сусло)», «ЭИО вода + дрожжи».
_й X
ю о о о 1=
0
(и
1
т
4,75
о
(и н-х а:
о Е
т
с о
-Среда "ЭИО вода+дрожжи"
4,25
—Среда "ЭИО (дрожжи+вода)"
-■— Среда "ЭИО
(дрожжи+сусло)"
о
10 15 20 25 30 35 40 Экспозиция, (С)
Рис.2. Влияние ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды при напряженности 1 кВ/см 4,5
X .0 I
ю о
с о
4,25 4
3,75 3,5 3,25 3
2,75 2,5
-Среда "ЭИО вода+дрожжи" .Среда "ЭИО (дрожжи+вода)"
Среда "ЭИО (дрожжи+сусло)"
0
5
10
30
35
40
15 20 25 Экспозиция, (с)
Рис.3. Влияние ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды при напряженности 2 кВ/см
-Среда "ЭИО вода+дрожжи"
-Среда "ЭИО (дрожжи+вода)"
Среда "ЭИО (дрожжи+сусло)"
Экспозиция, (с)
Рис.4. Влияние ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды при напряженности 3 кВ/см 5
X .0
о „
Ф
-I-
с
о
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
.Среда "ЭИО вода+дрожжи"
-Среда "ЭИО (дрожжи+вода)"
Среда "ЭИО (дрожжи+сусло)"
0
5 10 15 20 25 30 35 40 Экспозиция, (с)
Рис.5. Влияние ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от среды при напряженности 4 кВ/см
В среде «ЭИО (дрожжи + сусло)» мы наблюдаем более значительное уменьшение количества нежизнеспособных дрожжевых клеток после ЭИО, чем в других средах.
Результаты работы по изучению влияния напряженности электрического поля коронного разряда на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток приведены на рисунках 6, 7 и 8. Используемые для
экспериментов пивные дрожжи имели соответствующее норме количество нежизнеспособных дрожжевых клеток — не более 5%.
Анализ данных результатов эксперимента показал следующее:
1. ЭИО дрожжей при напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве 1-4 кВ/см приводит к изменению доли нежизнеспособных клеток.
4,5
Ф чо
-т О^
* О 3,5
I Ф
2,5
-Напряженность 1кВ/см
■ Напряженность 2кВ/см
■ Напряженность 3кВ/см
■ Напряженность 4кВ/см
Экспозиция, (с)
Рис.6. Влияние напряженности электрического поля ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в среде «ЭИО (дрожжи + вода)»
5
X 4,5 £
I 4
о о
о _ 3,5 * &
" ~ 3 2,5 2 1,5 1
£ ¡5
ф ь I Ф
. Напряженность 1кВ/см
■ Напряженность 2кВ/см
■ Напряженность 3кВ/см
■ Напряженность 4кВ/см
10
15 20 25 Экспозиция, (с)
30
35
40
Рис.7. Влияние напряженности электрического поля ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в среде «ЭИО (дрожжи + сусло)»
4,5
о ^
а ^
и о
3,5
с
о
. Напряженность 1 кВ/см
■ Напряженность 2кВ/см . Напряженность 3кВ/см
■ Напряженность 4кВ/см
10 15 20 25 Экспозиция, (с)
30 35
40
Рис.8. Влияние напряженности электрического поля ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток в среде «ЭИО вода + дрожжи»
5
4
3
2
0
5
5
4
3
0
5
з .......................................
О 5 10 15 20 25 30 35 40
Экспозиция, (с)
Рис.9. Зависимость количества нежизнеспособных клеток от экспозиции ЭИО при напряженности 1-4 кВ/см в среде «ЭИО (дрожжи + сусло)»
2. Наибольший эффект, характеризующийся наименьшим количеством нежизнеспособных дрожжевых клеток, был отмечен после ЭИО при напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве 3 кВ/см.
Результаты работы по изучению влияния экспозиции ЭИО на количество нежизнеспособных дрожжевых клеток приведены на рис.2-8, где показано изменение количества нежизнеспособных дрожжевых клеток в зависимости от экспозиции ЭИО дрожжей. Анализ данных результатов эксперимента показал следующее:
1. Изменение доли нежизнеспособных клеток после ЭИО зависит от продолжительности обработки (экспозиции).
2. Наименьшее количество нежизнеспособных дрожжевых клеток — после ЭИО при напряженности 3 кВ/см и экспозиции 25 с.
Для построения зависимости количества нежизнеспособных клеток (К) при воздействии ЭИО в среде «ЭИО (дрожжи + сусло)» от экспозиции (т) при напряженности, при которой бы наблюдался наибольший эффект от воздействия ЭИО на дрожжи, провели регрессионный анализ. Используя поиск зависимости и результаты вычислений программы Statistica, получили регрессионные зависимости параболического вида, для которых максимален (Я^= 0,95):
для напряженности 1 кВ/см — К = 6,4 - 0,18т + + 0,0035т2;
для напряженности 2 кВ/см — К = 6,76 - 0,25т + + 0,005т2;
для напряженности 3 кВ/см — К = 6,93 - 0,32т + + 0,007т2;
для напряженности 4 кВ/см — К = 7,03 - 0,3т + + 0,006т2 .
Графическое представление регрессионных зависимостей приведено на рис.9.
Анализ представленных на рис.9 данных показал, что при напряженности электрического поля 3 кВ/см и при экспозиции около 25 с наблюдается наибольший эффект от воздействия ЭИО на дрожжи: происходит
наибольшее уменьшение количества нежизнеспособных клеток, следовательно, эти режимы надо обеспечить при промышленном использовании ЭИО дрожжей.
Выводы
1. Электронно-ионная обработка позволяет оказывать влияние на изменение количества нежизнеспособных клеток дрожжей.
2. Наибольший эффект наблюдается при обработке дрожжей в среде «дрожжи + сусло».
3. Эффективность электронно-ионной обработки зависит от напряженности неоднородного электрического поля и экспозиции.
4. Используя электронно-ионную обработку, можно обеспечить значительное улучшение физиологического состояния дрожжей.
1. Глущенко Л.Ф., Глущенко Н.А. К вопросу об управлении жизнедеятельностью микроорганизмов. М.: Академия естествознания, 2010. С.27-43.
2. Абрамов Ш.А., Котенко С.Ц., Исламова Ф.И. Морфологические и некоторые биотехнологические свойства нового штамма Saccharomyces oviformis МФ-1 // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. №12. С.35-38.
3. Айльс Х.-Г., Айдтманн А., Бак В. Мероприятия по улучшению дрожжевых технологий и их внедрение на практике // Brauwelt — Мир пива. 2001. №11. С.29-33.
4. Аннемюллер Г., Мангер Х.Ю. Границы и последствия размножения дрожжей в пивном сусле // Brauwelt — Мир пива. 2000. №2. С.15-17.
Bibliography (Translitеrated)
1. Glushhenko L.F., Glushhenko N.A. K voprosu ob upravle-nii zhiznedejatel'nost'ju mikroorganizmov. M.: Akademija estestvoznanija, 2010. S.27-43.
2. Abramov Sh.A., Kotenko S.C., Islamova F.I. Morfologicheskie i nekotorye biotehnologicheskie svojstva novogo shtamma Saccharomyces oviformis MF-1 // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. 2011. №12. S.35-38.
3. Ajl's H.-G., Ajdtmann A., Bak V. Meroprijatija po uluchsheniju drozhzhevyh tehnologij i ih vnedrenie na praktike // Brauwelt — Mir piva. 2001. №11. S.29-33.
4. Annemjuller G., Manger H.Ju. Granicy i posledstvija razmnozhenija drozhzhej v pivnom susle // Brauwelt — Mir piva. 2000. №2. S.15-17.
