CC BY
57
УДК 663.452
П. В. Энкениколай, Т. М. Панова, Ю. Л. Юрьев
ВЛИЯНИЕ КАТИОНОВ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ НА ДИНАМИКУ ФЕРМЕНТАЦИИ ГЛЮКОЗЫ
ДРОЖЖАМИ SACCHAROMYCES CEREVISIAE W-95
Ключевые слова: спиртовое брожение, катионы Fe (III), Mn (II), Zn (II), Cu (II), кинетика роста дрожжей, кинетика
биосинтеза этанола.
Изучено влияние концентрации катионов железа (III), марганца (II), цинка(И) и меди (II) на скорости роста дрожжей, биосинтеза этанола и потребления глюкозы в процессе ферментации. Показана необходимость корректировки исходной воды по содержанию данных катионов.
Key words: alcoholic fermentation, cations of Fe (III), Mn (II), Zn (II), Cu (II), the kinetics of growth of yeast, kinetics of biosynthesis
of ethanol.
The effect of the concentration of Fe (III), Mn (II), Zn (II) and Cu (II) the rate of growth of yeast, biosynthesis of ethanol and consumption of glucose in the process offermentation. Shows the need for adjustments to the initial water content data cations.
В промышленной биотехнологии крупный сегмент занимают производства, основанные на спиртовом брожении. Типичный пример это пивоварение. Сам процесс спиртового брожения осуществляется в водной среде и от качества воды зависит как эффективность биотехнологических процессов, так и качество товарной продукции.
Состав воды влияет на органолептические, физико-химические, микробиологические и химические свойства пива. Кроме того, она должна соответствовать ряду специфических для пивоваренной промышленности технологических требований, соблюдение которых оказывает положительное влияние на процесс производства пива.
Как показал анализ источников водоснабжения, для вод Уральского региона характерно повышенное содержание катионов железа, марганца, цинка и меди.
Целью данной работы является изучение влияния данных катионов на биохимические процессы брожения в производстве пива. Исследовали влияние концентрации катионов на кинетические характеристики роста дрожжей, потребления субстрата и биосинтеза продукта метаболизма (этилового спирта) в процессе ферментации. В качестве продуцента использовали чешские дрожжи низового брожения ЗассИагошусеБ сегеу1$1ае "-95, применяемые на пивоваренных заводах, в т.ч. малой мощности. Данные дрожжи характеризуются средней бродильной активностью и хорошим хлопьеобразованием. Семенные дрожжи использовали 4... 6 генерации. Эксперименты проводили на модифицированной синтетической среде Уикергема с добавлением 0,5 % дрожжевого автолизата. В качестве единственного источника углерода и энергии использовали глюкозу.
Ферментация проводилась периодическим способом в течение 7 суток при температуре 8...10°С, которая является оптимальной для используемого штамма, при начальной
концентрации дрожжей 10 млн. клеток/см3. Контролем являлась среда Уикергема без дополнительного введения источников исследуемых
катионов. В процессе ферментации контролировали физиологические показатели дрожжей, содержание мертвых и почкующихся клеток, содержание в клетках гликогена. Содержание сахара и этилового спирта определяли химическими и физико-химическими методами анализа, принятыми в бродильной промышленности.
Исследования показали, что в случае присутствия в среде ионов железа в концентрации 0,15 мг/ дм3 и более процесс размножения дрожжей замедляется, уменьшаются размеры, снижается доля почкующихся клеток, возрастает количество мертвых дрожжей. С увеличением концентрации катионов железа в среде наблюдается снижение скорости потребления субстрата и биосинтеза этанола, что свидетельствуют о снижении бродильной активности дрожжей в результате их дегенерации под воздействием повышенной концентрации катионов железа.
На рисунках 1 и 2 представлены зависимости влияния катионов марганца на процесс спиртового брожения.
т" 0,05
0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,01 0,01 0,00
г " ..1 1......... - - -ч
/ / —1 1 --1
i J г"'
1 с
1 1 / /
1 1 / /
1 / 7 г
■-
¿4
43
72
96
120
144
16В
Продолжительность, ш
• -С(МО=0.1 мг/дмЗ
щ- .ЦМпг+)=0?25мг/дмЭ
- С(Мпг+)=0, 5 мг/дм3 -qn*i2+J=l,0 мг/дм3
Рис. 1 - Изменение скорости потребления субстрата в присутствии катионов марганца
Из графиков видно, что наибольшая скорость потребления сахара наблюдается при концентрации катионов марганца 0,25 мг/дм3, в то
время как скорость биосинтеза этанола в этом случае ниже на 11%, чем при концентрации 0,1мг/дм3, что свидетельствует о повышении затрат сахара на процессы размножения и дыхания дрожжей. При концентрации марганца 1,0 мг/дм3 процесс ферментации заметно замедляется.
~ 0.25
0.15
0.00
.....1
* . — " ---^ --
/ * / ' 1 О'
У / 1
щ / / А Г
24 4В 72 96 120 144 1ЕВ
Продолжительность, ч 2-1=п 1 „/„..3 —■— ЦМп^О,; мг/дм3
—ЦМп^Н.О мг/дм3
- * -ЦМГ^ИОЛ мг/дм3 ■■■■*■■ -С(Мпг+)=0,2:мг/дм3
Рис. 2 - Изменение скорости биосинтеза этанола в присутствии катионов марганца
Образование этанола в течение первых трех суток в диапазоне концентраций марганца 0,1...0,25 мг/дм3 протекает одинаково, затем повышенное содержание марганца оказывает негативное влияние. Дальнейшее повышение концентрации катионов марганца ухудшает процесс биосинтеза этанола еще в большей степени. При 0,5 и 1,0 мг/дм3 скорость биосинтеза этанола относительно контроля снижается на 11 и 30 % соответственно.
Оценивая влияние катионов цинка на процесс ферментации, следует отметить, что в его присутствии при всех исследуемых концентрациях наблюдается ускорение роста клеток, что обусловлено повышением интенсивности углеводного, белкового и фосфолипидного обменов. Из данных рисунка 3 видно, что уменьшение концентрации катионов цинка в среде до 0,1 мг/дм3 позволяет сократить продолжительность брожения на одни сутки по сравнению с 0,5 мг/дм3. При содержании цинка 1,0 и 5,0 мг/дм3 выход этанола снижается на 4,3 и 8 г/дм3.
35,0
со
сС 30,0
та" с 25,0
о
го 1— 20,0
та
IX
=г 15,0
го
I— I 10,0
о
I 5,0
0,0
.....1
* *
л • // 1^^
.-■ / | у/ #
■V ' г
> J Г/
24
48
144
72 96 120 Продолжительность, ч ■~М~ Срп2 + )=ОД мг/дм3 с(гп2 + )= 1,0 мг/дм^
- + -С(гп2"|")=0,3 МГ/ДМ3 -*- С(гП2+):^0 МГ/ДМ3
Рис. 3 - Динамика биосинтеза этанола в присутствии катионов цинка
Влияние катионов меди на биосинтез этанола представлено на рисунке 4, из которого видно, что при концентрации более 0,5 мг/дм3 процесс спиртового брожения ухудшается по всем показателям. При концентрации 2 мг/дм3 ионы меди вызывают гибель клеток, скорость образования этанола снижается более чем в 4 раза.
Рис. 4 - Изменение скорости биосинтеза этанола в присутствии катионов меди
В таблице 1 представлены данные, характеризующие влияние исследуемых катионов на кинетические характеристики процесса
ферментации глюкозы дрожжами "-95.
Таблица 1 - Влияние концентрации катионов на кинетические и технологические характеристики процесса ферментации
Концентрация катиона, мг/дм3 Максимальная удельная скорость Действительная степень сбраживания, % Экономический коэффициент
роста дрожжей, ч-1 биосинтеза этанола, г/(г-ч) потреблени я сахара, г/(г-ч)
Железо Бе3+
0,05 0,0162 0,081 0,152 52,31 50,86
0,15 0,0148 0,070 0,136 46,60 50,77
1,00 0,0140 0,064 0,132 42,70 50,00
5,00 0,0134 0,060 0,108 36,10 48,60
Марганец Мп2+
0,10 0,0162 0,081 0,152 52,31 50,86
0,25 0,0140 0,074 0,161 49,33 50,70
0,50 0,0138 0,072 0,130 45,41 50,35
1,00 0,0138 0,057 0,102 39,60 44,60
Медь Си2+
0,01 0,0162 0,081 0,152 52,30 50,86
0,50 0,0152 0,079 0,157 50,47 49,84
1,00 0,0147 0,065 0,134 43,50 48,25
2,00 0,0119 0,024 0,069 13,08 27,20
Цинк гп2+
0,10 0,0162 0,081 0,152 52,30 50,86
0,50 0,0163 0,073 0,150 49,31 50,80
1,00 0,0151 0,067 0,131 45,90 50,26
5,00 0,0149 0,063 0,110 42,30 48,20
Как видно из таблицы, максимальная скорость роста дрожжей наблюдается в случае присутствия в питательной среде катионов цинка (С=0,5 мг/дм3) и составляет 0,0163 ч-1. Максимальная удельная скорость потребления сахара 0,161 г/(г-ч) проявляется в присутствии катионов марганца концентрацией 0,25 мг/дм3. Наилучшие результаты биосинтеза этанола наблюдаются при минимальных концентрациях исследуемых катионов: регламентируемая концентрация этилового спирта 3 % об. достигнута в процессе пятисуточной ферментации.
В таблице 2 приведены фактические и рекомендованные концентрации исследуемых катионов в воде для пивоварения.
Таблица 2 - Химический состав воды для пивоварения
Компонент Значение показателя, мг/дм3
Исходная вода Рекомендовано по результатам исследований
Железо 18,5 не более 0,1
Марганец 0,17 не более 0,1
Цинк 3 не более 0,5
Медь 0,8 не более 0,5
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что для обеспечения эффективного использования субстрата с целью получения этанола дрожжами ЗассИагошусеБ сегеу1Б1ае "-95 необходимо корректировать состав питательной среды по содержанию катионов железа, марганца, цинка и меди, оптимальные значения которых могут быть достигнуты за счет обработки исходной воды модифицированными древесными углями [1, 2].
Литература
1. Ю.Л. Юрьев, Н.А. Дроздова, К.Ю. Тропина, О.С. Пономарев, Т.М. Панова, Пат. 96367 Российская Федерация, Приоритет. Устройство для подготовки воды; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет». - № 96367; заявл. 26.02.2010; опубл. 27.07.2010, Бюл. № 21.
2. Ю.Л. Юрьев, Н.А.Дроздова, Т.М.Панова Доочистка артезианской воды с применением модифицированных древесных углей, Вестник КНИТУ, №19, 85-86 (2013).
© П. В. Энкениколай - асп. каф. химической технологии древесины УГЛТУ; Т. М. Панова - доц. той же кафедры, р1ш55@уап(1ех.ги; Ю. Л. Юрьев - канд. техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины УГЛТУ.
