Αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών απορριμμάτων για παραγωγή βιοκαταλυτών για συνεχή ερυθρά οινοποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες και μηλογαλακτική ζύμωση των οίνων
Authors: Αγουρίδης Νικόλαος 
Published: August 2021

Η διατριβή αυτή έχει ως κύριο στόχο την αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών απορριμμάτων για παραγωγή βιοκαταλυτών για συνεχή ερυθρά οινοποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες και μηλογαλακτική ζύμωση των οίνων. Στο πρώτο μέρος γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση της μέχρι σήμερα γνώσης στην παραγωγή οίνου και κυρίως την αλκοολική ζύμωση, τη μηλογαλακτική ζύμωση και την ερυθρά οινοποίηση. Εξετάζονται τυχόν καινοτόμες μέθοδοι παραγωγής οίνου καθώς και οι τεχνικές βελτιστοποίησης του τελικού προϊόντος στα τελευταία 30 χρόνια.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής μελετάται κατά πόσο είναι δυνατόν να γίνει χρήση αγροτοβιομηχανικών απορριμμάτων για την δημιουργία υποστρωμάτων κατάλληλων για ακινητοποίηση και χρήση τους σαν βιοκαταλύτες για την παραγωγή οίνου. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκαν τα απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά ως το πιο διαδεδομένο απόρριμμα της παραγωγής δημητριακών. Η ικανότητα του συγκεκριμένου υλικού ως προς την ακινητοποίηση ζυμών για την παραγωγή οίνου ήταν αντικείμενο προηγούμενων μελετών, με πολύ θετικά αποτελέσματα. Το υπόστρωμα εξετάστηκε ως προς την ικανότητα ακινητοποίησης γαλακτικών βακτηρίων που είναι κατάλληλα για μηλογαλακτική ζύμωση. Χρησιμοποιήθηκαν τα δύο πιο προσιτά βακτήρια της μηλογαλακτικής ζύμωσης του οίνου, όπως είναι το Lactobacillus casei ATCC393 και το Oenococcus oeni ATCC23279, με τα αποτελέσματα και στις δύο περιπτώσεις να είναι θετικά. Για τον L. casei η μετατροπή του μηλικού οξέος στον οίνο έφτασε έως και το 80 % με λειτουργική σταθερότητα έως ένα μήνα. Για τον O. oeni η μετατροπή του μηλικού οξέος έφτασε έως το 67 %, ενώ η λειτουργική σταθερότητα, πλησίασε τον ένα μήνα. Και στις δύο περιπτώσεις η παραγωγή γαλακτικού οξέος από το μηλικό δεν ήταν στοιχειομετρική. Το αποτέλεσμα αυτό κρίθηκε θετικό αφού η αύξηση του γαλακτικού οξέος προκαλεί αύξηση της πτητικής οξύτητας του τελικού οίνου που δεν είναι επιθυμητό φαινόμενο. Και οι δύο μικροοργανισμοί έδωσαν αποτελέσματα που δεν είχαν σημαντικές διαφορές και για το λόγο αυτό στην έρευνα που ακολούθησε χρησιμοποιήθηκε εκείνος που δεν δημιουργεί προβλήματα στο χειρισμό. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν για τα υπόλοιπα πειράματα μηλογαλακτικής ζύμωσης του οίνου κύτταρα L. casei, ενώ χρησιμοποιήθηκε ο O. oeni στα τελικά πειράματα με συγκαλλιέργεια για σύγκριση των τελικών αποτελεσμάτων.Τα ακινητοποιημένα κύτταρα σε απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά μελετήθηκαν ως βιοκαταλύτης συναρτήσει της θερμοκρασίας. Και σε αυτή την περίπτωση παρουσιάστηκαν υψηλές μετατροπές του μηλικού οξέος στον οίνο, με καλύτερα αποτελέσματα στους 20 oC, όπου η μετατροπή έφτασε το 49.1%. Ο βιοκαταλύτης μελετήθηκε και σε σύστημα συνεχούς λειτουργίας, όπου λειτούργησε για 24 ημέρες με μείωση του μηλικού έως και 60.4%. Τέλος μελετήθηκαν κυτταρινούχα υλικά χωρίς απολιγνινοποίηση σε συστήματα διαλείποντος έργου και συνεχούς λειτουργίας, για την δυνατότητα ακινητοποίησης γαλακτικών βακτηρίων. Τα αποτελέσματα δεν ήταν ικανοποιητικά συγκριτικά με τα απολιγνινοποιημένα.Στο επόμενο στάδιο εξετάστηκε η δυνατότητα συγκαλλιέργειας ζυμών και βακτηρίων για ταυτόχρονη αλκοολική και μηλογαλακτική ζύμωση του οίνου. Μελετήθηκαν δύο τρόποι ακινητοποίησης και παραγωγής του βιοκαταλύτη, ενώ η βέλτιστη μέθοδος εφαρμόστηκε και σε σύστημα συνεχούς λειτουργίας, καθώς και με κύτταρα O. oeni ως κύριο βακτήριο για τη μηλογαλακτική ζύμωση. Τα αποτελέσματα ήταν θετικά, καθώς παρουσιάστηκαν μειώσεις του μηλικού οξέος έως 57.5% για το σύστημα διαλείποντος έργου και μείωση 18.5% για το συνεχές σύστημα, με ταυτόχρονη μεγάλη παραγωγικότητα σε αιθανόλη 1.9 και 2.0 g/L/h αντίστοιχα, ενώ το συνεχές σύστημα με κύτταρα O. oeni ως κύριο βακτήριο παρουσίασε μείωση του μηλικού έως 54.3% και παραγωγικότητα αιθανόλης 2.2 g/L/h.Στο τελικό στάδιο της διατριβής έγινε ανάπτυξη και μελέτη ενός συστήματος συνεχούς λειτουργίας για την παραγωγή ερυθρού οίνου σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μελετήθηκαν δύο συστήματα του ενός και των δύο αντιδραστήρων. Τα αποτελέσματα ήταν όμοια και στα δύο συστήματα όμως η ευκολία χειρισμού καθώς και η μείωση της πιθανότητας μόλυνσης του βιοκαταλύτη καθόρισαν ως πιο επιτυχημένο το σύστημα με τους δύο βιοαντιδραστήρες. Χρησιμοποιώντας το σύστημα αυτό, μελετήθηκε η χρήση συγκαλλιέργειας για την πραγματοποίηση των επιθυμητών διεργασιών του γλεύκους. Τα αποτελέσματα κρίθηκαν ικανοποιητικά με τη μείωση του μηλικού να φτάνει τα 48.6%, το ερυθρό χρώμα του οίνου να πλησιάζει εκείνο των εμπορικών οίνων και την παραγωγικότητας της αιθανόλης σε υψηλά επίπεδα.Τα παραπάνω αποτελέσματα συνέβαλαν στην δημιουργία ενός συστήματος ερυθράς οινοποίησης σε χαμηλές θερμοκρασίες και με αυξημένη κλίμακα pilot plant. Αναλυτικότερα, το σύστημα είχε συνολικό όγκο 10 L και παρήγαγε 1.0 με 1.5 L ερυθρού οίνου ημερησίως, με χρώμα παραπλήσιο με αντίστοιχα εμπορικά προϊόντα. Σε όλα τα παραπάνω πειράματα εξετάστηκαν η χημική σύσταση και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των οίνων. Σαν γενικό συμπέρασμα προκύπτει ότι τα αγροτικά κυτταρινούχα απορρίμματα μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή ακινητοποιημένων βιοκαταλυτών κατάλληλων για (i) συνεχή ταυτόχρονη αλκοολική και μηλογαλακτική ζύμωση καθώς και (ii) συνεχή ερυθρά οινοποίηση. (iii) Επίσης οι βιοκαταλύτες αυτοί μπορεί να έχουν εφαρμογή στη μείωση της οξύτητας γλεύκους και την ταυτόχρονη ζύμωση των γλευκών, εφόσον εκεί απαιτειται μείωση του μηλικού λιγότερο από 30%.