Use of Response Surfaces to Investigate Metal Ion Interactions in Yeast Fermentations (1997)

AbstractThe metal cations K+, Mg2+, Ca2+, and Zn2+ are known to directly influence fermentative metabolism in yeast, and therefore knowledge of their interactions is essential to manipulate their availability in industrial fermentations to optimal levels. Defined media experimental fermentations were designed to mimic high, intermediate, and low levels of K+, Mg2+, and Ca2+ previously reported in sugarcane molasses and Mg2+, Ca2+, and Zn2+ previously reported in malt wort. Subsequent analysis of fermentations revealed that the yeast (distillers strain of Saccharomyces cerevisiae) produced higher levels of ethanol in the presence of higher levels of Mg2+ in synthetic molasses and malt wort. Analysis of variance showed that yeast fermentation performance depended on complex interactions among the metal cations studied. For simulated molasses fermentations with fixed levels of Mg2+, ethanol production varied with changing levels of Ca2+ and K+ in a predictable way that was well fitted by the quadratic response surface model. Maximum predicted ethanol yields found from the quadratic response surface model were generally confirmed by authentic molasses fermentations. In simulated malt wort fermentations with fixed levels of Zn2+, ethanol production varied in a predictable way with changing levels of Ca2+ and Mg2+. However, quadratic response surface model predictions of ethanol yield failed to match results obtained from authentic malt wort fermentations, indicating significant effects of extraneous factors in wort. Although the results from defined media experiments suggest that statistical modeling could prove a useful tool in predicting yeast fermentation performance, further analysis is required of the influence of other components in industrial fermentation media, such as brewers' wort.ResumenLos cationes metálicos K+, Mg2+, Ca2+, y Zn2+ influyen directamente en el metabolismo fermentativo de la levadura y el conocimiento de sus interacciones es por lo tanto esencial para manipular su disponibilidad en fermentaciones a niveles óptimos. Fermentaciones experimentales en medios definidos fueron diseñadas los cuales simulan niveles altos, intermedios y bajos de K+, Ca2+, y Mg2+ previamente reportados en melazas de caña de azúcar y Ca2+, Mg2+, y Zn2+ en mosto de malta. Análisis subsiguientes de fermentaciones revelaron que la levadura (cepas de destilería de Saccharomyces cerevisiae) produjo altos niveles de etanol en presencia de altos niveles de Mg2+ en melazas sintéticas y en mosto de malta. Análisis de varianza mostró que el comportamiento de la levadura en fermentación depende de complejas interacciones entre los cationes metálicos estudiados. En las fermentaciones simuladas de melazas con niveles fijos de Mg2+, la producción de etanol varió al cambiar los niveles de Ca2+ y K+ de una manera predecible que ajustó bien con el modelo de superficie de respuesta cuadrática. Los rendimientos máximos de etanol pronosticados con el modelo de superficie de respuesta cuadrática fueron generalmente confirmados en fermentaciones de melazas auténticas. En fermentaciones simuladas de mosto de malta, con niveles fijos de Zn2+, la producción de etanol varió de una manera predecible al cambiar los niveles de Ca2+ y Mg2+. Sin embargo, los rendimientos de etanol pronosticados por el modelo de superficie de respuesta cuadrática no fueron iguales a los obtenidos en fermentaciones de mosto de malta auténtico indicando esto efectos significativos de factores ajenos al mosto. Aunque los resultados de los experimentos en medios definidos sugieren que el modelo estadístico pudiera ser una herramienta útil en predecir el comportamiento fermentativo de la levadura, se requiere de más análisis acercade la influencia de otros componentes presentes en medios de fermentaciones industriales como lo es el mosto de cervecerías.