Ζυμωτική ικανότητα ξηρανθεισών με θέρμανση ζυμών που ζυμώνουν τη λακτόζη
Authors: Παπαποστόλου Χαρίλαος 
Published: August 2021

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιοποίηση ενός αποβλήτου της βιομηχανίας τροφίμων όπως είναι το τυρόγαλα και παράλληλα η μελέτη της θερμικής ξήρανσης ως μεθόδου συντήρησης των μικροοργανισμών και η παραγωγή ξηρών αρχικών καλλιεργειών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται όλες οι πληροφορίες που προκύπτουν από την πρόσφατη και παλαιότερη βιβλιογραφία και αφορούν : μεθόδους συντήρησης των μικροοργανισμών, πληροφορίες για τους μικροοργανισμούς που ζυμώνουν τη λακτόζη, τεχνολογία και μεθόδους ακινητοποίησης μικροοργανισμών, δεδομένα σχετικά με το τυρόγαλα αλλά και τη λακτόζη. Στο δεύτερο μέρος αναφέρονται οι μέθοδοι και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση των πειραμάτων ενώ στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και η συζήτηση αυτών. Έτσι μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής ξήρανσης στη ζυμωτική ικανότητα του kefir και του K. marxianus τόσο σε ελεύθερα κύτταρα όσο και σε ακινητοποιημένα σε απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά (Α.Κ.Υ.) αλλά και σε γλουτένη. Αναλυτικότερα, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τρεις μέθοδοι θερμικής ξήρανσης που ήταν η ξήρανση με θέρμανση, με κενό και με ρεύμα αέρα. Αυτό έγινε για την ξήρανση της βιομάζας του kefir ενώ μελετήθηκε η επίδρασή τους στην βιωσιμότητα των κυττάρων, στην ταχύτητα ζύμωσης και σε άλλες κινητικές παραμέτρους ζυμώσεων συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Η ταχύτητα της ξήρανσης με ρεύμα αέρα ήταν μεγαλύτερη από αυτή της ξήρανσης με θέρμανση και πολύ πιο μεγάλη από αυτή της ξήρανσης υπό κενό σε κάθε θερμοκρασία που μελετήθηκε. Μετά την ξήρανση ακολούθησαν ζυμώσεις με τον ξηρό βιοκαταλύτη. Η συγκέντρωση της αιθανόλης, η παραγωγικότητα σε αιθανόλη και η απόδοση σε αιθανόλη ήταν υψηλότερες σε ζυμώσεις τυρογάλακτος που πραγματοποιήθηκαν με ξηρανθέν kefir με ρεύμα αέρα. Η συγκέντρωση του γαλακτικού οξέος, η παραγωγικότητα σε γαλακτικό οξύ και η απόδοση σε γαλακτικό οξύ ήταν υψηλότερα στην περίπτωση της ξήρανσης με θέρμανση. Η αποθήκευση της βιομάζας του kefir που ξηράνθηκε με ρεύμα αέρα στους 33oC για 4 μήνες χωρίς ιδιαίτερη προστασία, μείωσε τη ζυμωτική ικανότητα του βιοκαταλύτη, την παραγωγικότητα σε αιθανόλη κατά 31% και την παραγωγικότητα σε γαλακτικό οξύ κατά 20%. Έτσι, η ξήρανση με ρεύμα αέρα παραμένει υποσχόμενη τεχνολογία καθώς διατηρήθηκε ένα σημαντικό ποσοστό της ζυμωτικής ικανότητας του βιοκαταλύτη. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής ξήρανσης στη ζυμωτική ικανότητα ελεύθερων κυττάρων K. marxianus. Ο θερμικά ξηρανθείς θερμόφιλος K. marxianus έχει αποδειχθεί ότι είναι μια αποτελεσματική αρχική καλλιέργεια για τη ζύμωση τυρογάλακτος. Η θερμική ξήρανση με ρεύμα αέρα του βιοκαταλύτη πραγματοποιήθηκε αποτελεσματικά σε εύρος θερμοκρασιών 35-60oC με τους 42oC να δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα. Το ζυμωθέν τυρόγαλα μετά από ανάλυση με GC-MS φάνηκε ότι περιείχε πτητικά παραπροϊόντα σαν αυτά που υπάρχουν σε παραδοσιακά ποτά. Το kefir ακινητοποιήθηκε σε Α.Κ.Υ. και ξηράνθηκε με ρεύμα θερμού αέρα στους 28,33 και 38oC. Ως προς την ξήρανση δεν υπήρξαν σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις τρεις θερμοκρασίες. Ο ξηρός ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης αποθηκεύτηκε στους 4oC για 4 μήνες και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα των ζυμώσεων φαίνεται ότι η μέθοδος της θερμικής ξήρανσης με ρεύμα αέρα επιτρέπει την συντήρηση του βιοκαταλύτη για σημαντικό χρονικό διάστημα διατηρώντας ένα σημαντικό ποσοστό της λειτουργικότητας και της ζωτικότητάς του. Στη συνέχεια ο K. marxianus ακινητοποιημένος σε Α.Κ.Υ. ξηράνθηκε με θέρμανση, με ρεύμα αέρα και υπό κενό στους 35, 42, 48, 55 και 60oC και χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η ξήρανση με ρεύμα αέρα ήταν η πιο αποτελεσματική σε σχέση με τις άλλες δύο μεθόδους θερμικής ξήρανσης. Έτσι ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης ξηράνθηκε με ρεύμα αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες των 70, 80 και 90oC και μελετήθηκε η ζυμωτική του ικανότητα με ζυμώσεις συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης επέδειξε μεγάλη ανθεκτικότητα ακόμα και σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες. Οι ταχύτητες ζύμωσης ήταν χαμηλότερες από εκείνες στις χαμηλότερες θερμοκρασίες αλλά μέσα σε αποδεκτά όρια. Ανάλυση του ζυμωθέντος τυρογάλακτος με GC-MS, έδειξε ότι ακόμα και με ξήρανση στους 90oC υπήρχε ένας μεγάλος αριθμός συστατικών του αρώματος. Έτσι ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης θερμικά ξηρανθείς με ρεύμα αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες διατηρεί σημαντικό ποσοστό της ζυμωτικής του ικανότητας, αφήνοντας πολύ μικρές συγκεντρώσεις αζύμωτου σακχάρου. Το μεγάλο ποσό ενέργειας που απαιτείται για τις υψηλές θερμοκρασίες είναι ένα μειονέκτημα αλλά ο πολύ μικρός χρόνος ξήρανσης μειώνει αισθητά το συνολικό κόστος και κάνει πληρέστερη ξήρανση του βιοκαταλύτη. Το kefir και ο K. marxianus ακινητοποιήθηκαν σε σφαιρίδια γλουτένης. Έτσι μελετήθηκε η επίδραση της ξήρανσης με ρεύμα θερμού αέρα στην ζυμωτική τους ικανότητα. Μετά την ξήρανση, οι δύο ακινητοποιημένοι βιοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν για ζυμώσεις συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι τα σφαιρίδια γλουτένης θα μπορούσαν να αποτελέσουν εναλλακτικό υπόστρωμα ακινητοποίησης για την παραγωγή θερμικά ξηρανθεισών αρχικών καλλιεργειών. Αν και ο χρόνος που απαιτείται για την ξήρανσή τους είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο χρόνο ξήρανσης για τα Α.Κ.Υ., ωστόσο τα αποτελέσματα των ζυμώσεων είναι αρκετά ικανοποιητικά. Τέλος, μελετήθηκε το κόστος της επένδυσης για την εφαρμογή της μεθόδου θερμικής ξήρανσης για την παραγωγή ξηρής βιομάζας kefir ως αρχικής καλλιέργειας στη βιομηχανία. Η ανάπτυξη της βιομάζας του kefir πραγματοποιήθηκε σε πιλοτική μονάδα χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα 250 L και τυρόγαλα ως πρώτη ύλη. Η υγρή βιομάζα kefir ξηράνθηκε σε λεπτή στοιβάδα και σε βιομηχανικό θερμοθάλαμο στους 38oC και χρησιμοποιήθηκε στη βιομηχανία ως αρχική καλλιέργεια για τη παραγωγή σκληρών τυριών. Η έρευνα αυτή αποτέλεσε τη βάση για την πραγματοποίηση οικονομικής ανάλυσης για την βιομηχανική παραγωγή ξηρής αρχικής καλλιέργειας kefir με θερμική ξήρανση. Η βιομηχανική σχεδίαση περιελάμβανε μια διαδικασία τριών-βημάτων με τρεις βιοαντιδραστήρες των 100, 3000 και 30000 L για παραγωγή 300 kg θερμικά ξηρανθείσας αρχικής καλλιέργειας kefir ανά ημέρα. Το κόστος της επένδυσης υπολογίστηκε στα 238000 € το οποίο αποτελεί το 46% του αντίστοιχου που θα απαιτούνταν με τη χρήση της λυοφιλίωσης. Το κόστος παραγωγής υπολογίσθηκε στα 4,9 €/kg βιομάζας kefir για παραγωγή 300 kg ανά ημέρα το οποίο είναι ίδιο με το κόστος παραγωγής στην περίπτωση εφαρμογής της λυοφιλίωσης ως μεθόδου ξήρανσης. Η προστιθέμενη αξία από την αξιοποίηση όλης της ποσότητας τυρογάλακτος που παράγεται εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης, για παραγωγή ξηρών αρχικών καλλιεργειών με τη μέθοδο της θερμικής ξήρανσης, υπολογίσθηκε στα 10,8×109 €.