ВЛИЯНИЕ ПОЛИЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАЗВИТИЕ ДРОЖЖЕВЫХ ПОПУЛЯЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

/ CHEMICAL sciences

49

CHEMICAL SCIENCES

УДК: 663.45

Карпенко Д.В., Карайчева А.И.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский государственный университет пищевых производств»

DOI: 10.24411/2520- 6990-2020-11538 ВЛИЯНИЕ ПОЛИЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАЗВИТИЕ

ДРОЖЖЕВЫХ ПОПУЛЯЦИЙ

Karpenko D. V.

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department

Karaycheva A.I.

Student Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

"Moscow State University of Food Production"

INFLUENCE OF POLYFREQUENCY ACOUSTIC IMPACTS ON THE DEVELOPMENT OF YEAST

POPULATIONS

Аннотация.

В статье рассмотрено влияние акустических воздействий на засевные дрожжи низового брожения, применяемые в пивоварении, которое оценивали по приросту общего титра клеток, доле нежизнеспособных клеток и убыли веса среды культивирования. Для предварительной обработки дрожжей использовали музыкальные композиции, то есть, звуки с различными частотами. Установлено, что различные композиции оказывают разнонаправленное воздействие на технологически важные характеристики дрожжевых популяций.

Abstract.

The article considers the influence of acoustic impacts on yeast of bottom fermentation used in brewing. This influence was evaluated by the increase in the total cell titer, the proportion of non-viable cells and the weight loss of the culture medium. For pretreatment of yeast, musical compositions were used, that is, sounds with different frequencies. It was found that various compositions have a multidirectional effect on the technologically important characteristics of yeast populations.

Ключевые слова: пивные дрожжи низового брожения, активация дрожжей, поличастотная акустическая обработка, музыкальные композиции

Key words: bottom-fermented brewer's yeast, yeast activation, poly-frequency acoustic processing, musical compositions

Волновые, в частности акустические воздействия издавна используются человечеством. В настоящее время их применения поставлено на научную основу и стало неотъемлемой частью многих технологий. Так, например, часто востребованной оказывается обработка ультразвуком. Колебания низкой мощности с высокими частотами (2 - 10 МГц) используют для ультразвуковой диагностики, включая медицинскую визуализацию, для неразрушающего контроля. Ультразвук низких и средних частот (20-1000 кГц) с большой мощностью применяется в нанотехнологиях, в ультразвуковой терапии и сонохимии, в промышленности для решения широкого круга задач [19, 20], в частности, в процессе водоочистки [14], для обработки осадков/отстоев, рекультивация почв и донных отложений, очистки воздуха и экологических анализов [17]. Зачастую эффект такой обработки базируется на том, что при достаточно высокой мощности ультразвука во всем объеме жидкости образуются кавитационные пузырьки, которые затем коллапсируют. Кавитационный коллапс приводит к интенсивному локальному нагреву (~5000 К) и давление (~1000 атм). Было показано, что при коллапсе кавитационных пузырьков образуется короткоживущая сверхкрити-

ческая вода [15]. Акустическая кавитация обеспечивает уникальное взаимодействие энергии и вещества, а ультразвуковое облучение жидкостей вызывает протекание высокоэнергетических химических реакций [18]. Это положительно в тех случаях, когда требуется разрушение тех или иных компонентов обрабатываемых сред, однако при проведении многих технологических процессов пищевых производств столь «жесткое» воздействие может быть нежелательным.

В силу этого представляет интерес использование акустических воздействий меньшей мощности, вводящих в среду (объект) меньше энергии. По нашему мнению, такое воздействие может оказывать слышимый звук с частотами из диапазона примерно 20 - 20000 Гц. Обработка им, проведенная в рациональных условиях, может обеспечить положительные изменения технологических свойств объектов различного уровня организации. Эта точка зрения подтверждается как результатами исследований, проведенных в нашем университете ранее [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], так и информацией литературных источников [1, 2, 3, 4, 13]. Более того, ранее нами была установлена возможность интенсификации развития популяции дрожжей рода Saccharomyces за счет обработки

50

CHEMICAL SCIENCES / «Ш11ШетУМ~^©УГМа1>#Щ6©)),2©2(1

засевных дрожжей слышимым звуком с определенной частотой [16]. Это позволило нам поставить вопрос о влиянии на физиологические и технологические характеристики клеток пивных дрожжей поличастотных акустических воздействий в виде музыкальных композиций. Следует отметить, что в литературе появляются о ненулевом влиянии такой обработки на растения и животных, хотя зачастую эти исследования имеют несистематический характер, а их результаты не всегда признаются официальной наукой.

Выбранные нами музыкальные композиции (№1 - AC/DC "Victory", продолжительность 9 мин 0 сек, №2 Антонио Вивальди - Времена года (Зима), продолжительность 4 мин 14 сек, №3 Николо Паганини - Каприз №24, продолжительность 5 мин 10 сек) относились к разным жанрам, но, что более важно имели существенно различающийся частотный спектр, что было установлено при анализе с помощью компьютерной программы Spectrogram 16. Навески засевных дрожжей (Saflager W 34/70), используемые в дальнейшем при формировании опытных вариантов, обрабатывали при комнатной температуре с помощью динамика ноутбука ASUS Audio by Bang & Olufsen ICEpower мощностью 1 Вт в течение 60 мин, воспроизводя определенную музыкальную композицию в режиме повтора. Расстояние между динамиком и обрабатываемыми навесками дрожжей равнялось 0,1 см. Навески засевных дрожжей для контрольных вариантов выдерживали в тех же условиях, не подвергая целенаправленному акустическому воздействию. Затем производили засев модельных питательных сред (5 %-ные растворы сахарозы, стерилизован-

ные трехкратным кипячением в течение 60 мин каждое). Культивирование вели в течение 4 сут при принудительном перемешивании в установке УВМТ при комнатной температуре. До и после культивирования в сформированных образцах определяли общий титр клеток, долю мертвых клеток и вес среды культивирования для последующего расчета убыли веса питательной среды. Кроме того, ставили «холостые» образцы, в которых питательную среду не засевали дрожжами. Их использовали для учета потерь веса при испарении воды в процессе культивирования.

Определение упомянутых выше показателей дало результаты (средние значения для трех по-вторностей), приведенные в табл. 1. В силу того, что в каждом отдельном эксперименте ставились контрольные варианты (без предварительной акустической обработки засевных дрожжей), показатели которых не были одинаковыми в разных экспериментах, мы сочли целесообразным привести в таблице данные для каждого из контролей.

Анализируя данные табл. 1, по нашему мнению, можно сделать следующие выводы:

- предварительная обработка засевных дрожжей композицией № 1 привела к существенному снижению прироста титра клеток дрожжей -в опытном варианте он был формально отрицательным, но с учетом погрешности определения можно считать, что количество клеток после 4 суток культивирования фактически не изменилось. При этом интенсивность потребления компонентов питательной среды была примерно одинаковой в контрольном и опытном вариантах.

Таблица 1

Характеристики дрожжевых популяций после предварительной акустической обработки

Вариант Прирост общего титра дрожжевых клеток, млн/см3 Нежизнеспособные клетки, % к общему количеству Убыль веса за время культивирования, г

Контроль 177,875±10,750 4,75±0,65 0,638±0,172

Композиция №1 -5,125±6,625 3,40±0,50 0,665±0,164

Контроль 40,267± 8,104 5,90± 0,15 1,101±0,125

Композиция №2 144,077±12,875 5,07±0,35 1,113±0,167

Контроль 35,333±4,500 7,77±0,42 2,003±0,106

Композиция №3 6,683±1,998 7,95±0,45 0,339±0,065

- использование композиции № 3 также привело к выраженному угнетению развития дрожжевой популяции - в этом случае зафиксировано не только резкое снижение прироста дрожжевых клеток, но и уменьшение степени утилизации компонентов питательной среды в опытном варианте по сравнению с контролем.

- воздействие на засевные дрожжи звуком слышимого диапазона в виде композиции № 2 обеспечило существенно больший прирост титра дрожжевых клеток в опытном варианте - более, чем на 350 % по сравнению с контролем. При этом зафиксировано незначительное снижение доли нежизнеспособных клеток, а увеличение убыли веса, с учетом погрешности определения, было одинаковым в опыте и контроле.

В целом, можно заключить, что предварительная обработка засевных пивных дрожжей поличастотным слышимым звуком в виде музыкальных композиций оказывает выраженное воздействие на развитие дрожжевых популяций, по

крайней мере, в модельной питательной среде. В проведенных экспериментах не удалось доказать целесообразность такой обработки для повышения бродильной активности дрожжей, хотя, возможно, эта цель может быть достигнута за счет подбора рациональных параметров проведения акустического воздействия (продолжительности, частотного диапазона, мощности звука и т.д.). В то же время показана возможность активации размножения дрожжевых клеток, что открывает перспективы применения акустической обработки на этапе получения дрожжей чистой культуры.

Список литературы

1. Данильчук Т. Н., Рогов И. А., Абдрашитова Г. Г. Использование низкоинтенсивной акустической обработки в процессах биотрансформации мясного сырья. Пищевая промышленность, 2012. -№ 4. - С. 34-37.

2. Данильчук Т. Н., Рогов И. А., Абдрашитова Г. Г. Инновационные технологии переработки мясного сырья с использованием низкоинтенсив-

<<Ш11ШетиМ~^©и©Ма1>#8Ш)),2©2© / CHEMICAL sciences

51

ного акустического воздействия. Хранение и переработка сельхозсырья, 2017. - № 4. - С. 15-17.

3. Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Ратников А. Ю. Стимуляция биохимических процессов в прорастающем зерне акустическими и электрофизическими методами воздействия. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2008. -№ 6. - С. 11-14.

4. Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Проращивание ячменя после воздействия звуком разной частоты. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2000. -№ 3. - С. 22 - 26.

5. Карпенко Д. В. Улучшение качественных характеристик сырья и полупродуктов пивоварения за счёт акустической обработки. Развитие пищевой и перерабатывающей промышленности России: кадры и наука: материалы научной конференции с международным участием (Москва, 11 -12.04.2017 г.). - М.: МГУПП, 2017. - С. 60-62.

6. Карпенко Д. В., Беркетова М. А. Оптимизация параметров акустической обработки пивоваренного ячменного солода. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2012. - № 4. -С. 8 - 10.

7. Карпенко Д. В., Беркетова М. А. Изучение влияния акустических колебаний на качество пивоваренного ячменного солода. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2012. -№ 5. - С. 14 - 16.

8. Карпенко Д. В., Кравченко В. С., Шалаги-нов К. В. Активация амилолитического ферментного препарата волновыми воздействиями. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2017. - № 5. - С. 16-19.

9. Карпенко Д. В., Крюкова Е. В., Щербакова Е. В. Метод интенсификации экстракции растительного сырья в производстве напитков. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2019. - № 4. - С. 46-50. DOI: 10.24411/20729650-2019-10009

10. Карпенко Д. В., Позднякова И. Э. Повышение экстрактивности хмеля с помощью акустической обработки. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 2016. - № 6. - С. 46 -49.

11. Карпенко Д. В., Щербакова Е. В. Способ интенсификации процесса водно-спиртовой экстракции растительного сырья. Сolloquium-journal, 2018. - №11(22). - С. 66-69.

12. Карпенко Д. В., Шалагинов К. В. Влияние волновых воздействий на активность амилаз мик-

робного происхождения. Здоровье, питание и биотехнологии, 2019. - № 1 (1). - С. 76-84. DOI: 10.36107/hfb.2019.i1.s49

13. Рогов, И. А. Данильчук, Т. Н. Механизм биологических эффектов крайне низких доз колебательных и волновых воздействий в области звуковых частот. Часть II. Физико-химическая модель влияния низкоинтенсивных физических факторов на активность гидролитических ферментов. Электронная обработка материалов, 2017. - Том 53. - № 1. - С. 70 -73. DOI: 10.5281/zenodo.1049046

14. Шестаков, С. Д., Красуля, О. Н., Артемова, Я. А., Тихомирова, Н. А. Ультразвуковая сонохи-мическая водоподготовка. Молочная промышленность, 2011. - № 5. - С. 39-43.

15. Hoffmann M., Hua I., Hochemer R. (1996). Applications of Ultrasonic Irradiation for the Degradation of Chemical Contaminants in Water. - Ultrasonics Sonochemistry, 1996. - Vol. 3. - Issue 3. - P. S163-S172. DOI: 10.1016/S1350-4177(96)00022-3

16. Karpenko D. V., Gernet M. V., Krjukova E. V., Gribkova I. N., Nurmukhanbetova D. E., Assem-bayeva E. K. Acoustic vibration effect on genus Sac-caromyces yeast population development. News of the Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of geology and technical sciences, 2019. - Vol. 4. - № 436. - P. 103 - 112. DOI: 10.32014/2019.2518-170X.103

17. Pham T., Shrestha R., Virkutyte J., Sillanpaa M. (2009). Recent studies in environmental applications of ultrasound. - Canadian Journal of Civil Engineering, 2009. - № 36. - P. 1849-1858. DOI: 10.1139/L09-068

18. Suslick, K. S. Sonoluminescence and Sono-chemistry. In Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd ed.; Meyers, R. A., Ed. - Academic Press, Inc.: San Diego, CA, USA, 2001. - 15453 p.

19. Yaldagard M., Mortazavi S. A., Tabatabaie F. The Effectiveness of Ultrasound Treatment on the Germination Stimulation of Barley Seed and its Al-pha-Amylase Activity. International Journal of Chemical and Biomolecular Engineering, 2008. - Vol. 1. -№ 1. - P. 55-58.

20. Yaldagard M., Mortazavi S. A., Tabatabaie F. Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of the Institute of Brewing, 2008. - Vol. 114. - № 1. - P. 14-21. DOI: 10.1002/j.2050-0416.2008.tb00300.x