Влияние ионного состава воды на метаболизм дрожжей

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИМИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕАСПЕКТЫ

УДК 663.5

Влияние ионного состава воды на метаболизм дрожжей

Е. М. СЕРБА, д-р биол. наук, профессор; М. Б. ОВЕРЧЕНКО, канд. техн. наук; Л. В. РИМАРЕВА, д-р техн. наук, академик; Н. И. ИГНАТОВА; Н. В. ШЕЛЕХОВА, канд. экон. наук; М.В. АМЕЛЯКИНА, аспирант; О. В. ВЕСЕЛОВСКАЯ; Н. Н. МАРТЫНЕНКО, канд. биол. наук ВНИИ пищевой биотехнологии — филиал «ФИЦ питания и биотехнологии», г. Москва

Жизнедеятельность дрожжевых клеток определяется их ростом, развитием, размножением, обменом веществ, адаптационными свойствами культуры и зависит от генетической принадлежности штамма, состава питательных сред и условий культивирования [1—3]. Дрожжевые клетки наряду с образованием основных продуктов брожения — спирта и углекислого газа — синтезируют сопутствующие метаболиты, называемые вторичными и побочными продуктами брожения. К ним относятся органические кислоты, высшие спирты, ацетон, различные альдегиды, сложные эфиры и др. Снижения количества примесей можно достичь регулированием технологических процессов и режимов таким образом, чтобы были обеспечены условия, способствующие направленному синтезу этанола с пониженным образованием побочных продуктов брожения [4—6].

Одним из важнейших факторов, влияющих наме-таболизм дрожжей и процесс спиртового брожения, особенно при сбраживании концентрированных сред, является качество зернового сусла. Стадия осуществления ферментативной деструкции полимеров зернового сырья играет определяющую роль при подготовке зернового сусла, поэтому особое значение имеют многие факторы, оказывающие влияние на этот процесс [7].

Разработка и внедрение в бродильное производство современных методов контроля качества зернового сусла [8, 9], процессов генерации дрожжей и спиртового брожения позволят получать данные о влиянии ферментного комплекса на ионный состав зернового сусла, процессы биосинтеза этанола и сопутствующих вторичных метаболитов [7, 10, 11].

В работах последних лет показано, что на направленный синтез этанола может оказывать влияние не только раса дрожжей, обеспечивающая пониженное образование побочных метаболитов, но и качество воды, на которой осуществляется замес зернового сырья и степень конверсии полимеров зернового сусла [5, 7, 11].

Знание регуляторных факторов, оказывающих воздействие на образование сопутствующих синтезу этанола метаболитов, дает реальное научное обоснование для решения задач совершенствования биотехнологических процессов бродильных производств. Цель работы заключалась в изучении влияния ионного состава воды и ее жесткости на метаболизм

осмофильной расы дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039 при сбраживании концентрированного пшеничного сусла.

Для подготовки концентрированного пшеничного сусла к сбраживанию использовали четыре вида воды различного ионного состава и жесткости: полностью деионизованная вода, освобожденная от примесей; водопроводная вода; природная (родниковая) вода и жесткая вода с повышенным соляно-щелочным балансом.

Зерновое сусло готовили по механико-ферментативной схеме разваривания сырья при температуре до 90...95 °С и гидромодуле 1 : 1,8, создавая концентрацию растворимых сухих веществ (РСВ) 29—31% [11]. Разжиженный пшеничный замес подвергали воздействию комплекса ферментов, состоящего из ферментов амилолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия. Сбраживание пшеничного сусла, подготовленного на исследуемых образцах воды, осуществляли осмофильной расой дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039 при температуре 30 °С, продолжительность брожения составила 72 ч [12]. Концентрацию сусла, остаточные углеводы, выход спирта контролировали согласно инструкции техно-химического контроля спиртового производства.

Изучение ионного состава различных видов воды и пшеничного сусла, полученного на их основе, осуществляли с применением метода капиллярного электрофореза на приборе Agilent 7100 [8].Состав и уровень образования побочных метаболитов: метанола, альдегидов, эфиров и высших спиртов и др., образующихся в процессе брожения, определяли с применением газовой хроматографии по методике, разработанной для анализа содержания токсичных микропримесей в водке и спирте этиловом на хроматографе НР «Agilent» 6850.

Зерновой замес готовили на воде различной жесткости: деионизованной воде (0,0 °Ж), природной воде (1,7 °Ж), водопроводной воде (3,1 °Ж), жесткой воде (6,9 °Ж), которые различались также по степени минерализации и концентрации катионов и анионов (табл. 1).

Пшеничный замес подвергали биокаталитическому воздействию ферментного комплекса, содержащего ферменты амилолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия. Изучено влияние различных образцов воды на ионный состав подготовленного концентрированного пшеничного сусла, а

также на изменение концентрации катионов, анионов органических и неорганических кислот в процессе его сбраживания дрожжами S. еегеу1з1ае 1039.

Известно при сбраживании зернового сусла, как правило, образуются органические кислоты, которые относятся к вторичным продуктам брожения. Установлено, что наибольшее их количество на протяжении всего брожения накапливалось при использовании для замеса пшеницы воды с повышенной жесткостью и минеральным составом, что может привести к закисанию и негативно сказаться на показателях

бражки (табл. 2). Суммарное количество органических кислот на конец брожения при этом было в 1,3— 1,6 раза выше, чем на сусле, приготовленном на воде с меньшей жесткостью, за счет накопления в среде щавелевой, яблочной, янтарной и молочной кислот: 3712 мг/дм3 против 2193—2756 мг/дм3.

В дальнейшем исследовали влияние воды различной жесткости, используемой при приготовлении концентрированного пшеничного сусла (30% СВ), на образование побочных метаболитов, сопутствующих синтезу этанола. Установлено, что использование

Таблица 1

Характеристика воды, используемой при подготовке концентрированного пшеничного сусла

Показатель Состав воды

деионизованная природная водопроводная жесткая

рН 6,10 7,71 7,00 7,07

Щелочность, см3 0,02 2,55 1,10 5,60

Жесткость, °Ж 0,0 1,7 3,1 6,9

Минерализация, г/дм3 0 2,5 1,8 3,1

Катионы, мг/дм3 0,25 110,48 65,91 751,38

Анионы, мг/дм3 0 19,75 39,10 394,33

Таблица 2

Изменение ионного состава сбраживаемых сред в зависимости от используемой воды

Концентрация, мг/дм3

Используемая вода Катионы Анионы Анионы

неорганических кислот органических кислот

Вода

Деионизованная — — —

Природная 110 20 —

Водопроводная 65 40 —

Водопроводная + высокоминерализированная 747 394 —

Осахаренное сусло

Деионизованная 2217 2554 868

Природная 2266 2076 824

Водопроводная 2004 2186 815

Водопроводная + высокоминерализированная 2655 2175 854

1-е сутки брожения

Деионизованная 1292 2621 2665

Природная 1694 2181 2243

Водопроводная 2023 1812 1815

Водопроводная + высокоминерализированная 2607 2294 2598

2-е сутки брожения

Деионизованная 1342 3005 2636

Природная 1896 1625 2007

Водопроводная 1766 2661 2358

Водопроводная + высокоминерализированная 2174 2171 3068

3-и сутки брожения

Деионизованная 1313 2625 2521

Природная 1810 2434 2756

Водопроводная 2156 2001 2193

Водопроводная + высокоминерализированная 2930 2415 3712

10 000

9000

8000

§ -й 7000

¡в 6000 о. т

£ Р 5000

М

х о

о ю

4000

* 2 3000

2000 1000

1 сут

2 сут

3 сут

Вода деионизованная Вода природная Вода водопроводная Вода водопроводная + высокоминеральная

Рис. 1. Влияние воды разной жесткости, используемой при подготовке концентрированного сусла, на динамику синтеза метаболитов

16 у

14121086420

Остаточные СВ, % Спирт, %об. Метаболиты, г/дм3 Вода деионизованная Вода природная Вода водопроводная Вода водопроводная + высокоминеральная

Рис. 3. Биохимические показатели зерновой бражки при сбраживании концентрированного сусла в зависимости от используемой воды

воды с жесткостью, равной 1,7—3,1 °Ж обеспечивало стабильное протекание процесса и понижение концентрации образующихся летучих метаболитов к концу брожения (рис. 1). Использование воды с повышенной жесткостью приводило к увеличению концентрации побочных продуктов на протяжении всего процесса брожения, при этом синтез этанола снижался.

Установлена зависимость синтеза вторичных и побочных веществ, сопутствующих синтезу этанола, от ионного состава воды, применяемой для приготовления зернового сусла. Показано, что использование на стадии замеса зернового сырья воды с пониженным содержанием ионов хлора, кальция, натрия, магния позволяет снизить к концу брожения образование побочных продуктов брожения в 1,5—1,7 раза: 4807—5348 мг/дм3 против 7274 мг/дм3 в варианте, где использовали воду повышенной жесткости. Это происходит за счет снижения синтеза высших и ароматических спиртов, альдегидов, органических кислот (рис. 2).

4000 3500

3м 3000 /д

мг/ 2500 | 2000 § 1500 § 1000 500

Высшие ' Альдегиды ' Сложные ' Органические 'Ароматические' спирты эфиры кислоты спирты

Вода деионизованная Вода природная Вода водопроводная Вода водопроводная + высокоминеральная

Рис. 2. Состав побочныхлетучих метаболитов, синтезируемых дрожжами при сбраживании концентрированного сусла в зависимости от используемой воды

На питательных средах с повышенной жесткостью и соляно-щелочным балансом замедлялись процессы брожения, что приводило к неполному сбраживанию зернового сырья, снижению выхода спирта и повышению синтеза побочных метаболитов, о чем свидетельствуют биохимические показатели зерновой бражки на 72 ч брожения концентрированного сусла (рис. 3).

Таким образом, исследовано влияние воды с различной жесткостью и степенью минерализации на ионный состав концентрированного пшеничного сусла и метаболизм осмофильной расы дрожжей

еегеу1з1ае 1039. Установлено, что наибольшее количество анионов органических кислот, а также вторичных и побочных продуктов брожения, сопутствующих синтезу этанола, накапливалось при использовании для замеса пшеницы воды с повышенной жесткостью и минеральным составом. Показано, что использование на стадии замеса зернового сырья воды с пониженным содержанием ионов хлора, кальция, натрия, магния позволяет снизить уровень образования побочных продуктов брожения в 1,5—1,7 раза за счет пониженного синтеза высших и ароматических спиртов, альдегидов, органических кислот.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что при подготовке концентрированного пшеничного сусла следует использовать воду с пониженным соляно-щелочным балансом со степенью минерализации не более 3,5 г/дм3 и жесткостью не более 3,1°Ж, что способствует целенаправленному метаболизму осмофильной расы дрожжей 8ассНагошусез сегеу1з1ае 1039, обеспечивает повышение синтеза этанола и выхода спирта с одновременным снижением уровня образования побочных метаболитов к концу брожения.

0

Литература

1. Nweke, C. O. Effects of metals on dehydrogenase activity and glucose utilization by Saccharomyces cerevisiae / C. O. Nweke // Nigerian Journal of Biochemistry and Molecular Biology. — 2010. — V. 25. — № 2. — Р. 28-35.

2. Verbelen, P. J. The role of oxygen in yeast metabolism during high cell density brewery fermentations / P. J. Verbelen, M. G. Saerens, S. E. Van Mulders // Microbiol and biotech-nol. — 2009. — V. 82. — P. 1143-1156.

3. Поляков, В. А. Ресурсосберегающая технология спирта // В кн. «Теоретические основы пищевых технологий». Кн. 2 / В. А. Поляков, Л. В. Римарева; под ред. В. А. Панфилова. — М.: Колосс. — 2009. — С. 1280-1305.

4. Устинова, А. С. Биосинтез летучих высших спиртов в процессе спиртового брожения / А. С. Устинова, Т. В. Меле-дина // Институт холода и биотехнологий. Индустрия напитков. — 2012. — № 4. — С. 8-11.

5. Римарева, Л. В. Накопление метаболитов дрожжами Saccharomyces cerevisiae 1039 / Л. В. Римарева [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2016. — № 5. — С. 23-27.

6. Кадиева, А. Т. Влияние экстремальных температур и осмоса на свойства новых рас Saccharomyces cerevisiae 985-Т и 987-О / А. Т Кадиева [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2003. — № 4. — С. 38-40.

7. Римарева, Л. В. Влияние ферментативных комплексов на метаболизм спиртовых дрожжей и накопление ионов неорганической природы в концентрированном сусле / Л. В. Римарева [и др.] // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. — 2016. — № 3. — С. 28-31.

8. Шелехова, Н. В. Капиллярный электрофорез как высокоэффективный аналитический метод исследования состава сложных биологических сред / Н. В. Шелехова, В. А. Поляков, Л. В. Римарева // Пиво и напитки. — 2017. — № 2. — С. 34-38.

9. Абрамова, И. М. Значение ионного состава водок в контроле алкогольной продукции / И. М. Абрамова [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2013. — № 2. — С. 20-23.

10. Шелехова, Н. В. Исследование ионного состава полупродуктов спиртового производства с использованием методов капиллярного электрофореза / Н. В. Шелехова, Л. В. Римарева // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2012. — № 3. — С. 25-27.

11. Туршатов, М. В. Технологические основы производства спирта с повышенными органолептическими показателями / М. В. Туршатов, В. А. Поляков, В. П. Леденев // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2008. — № 2. — С. 29-31.

12. Патент РФ № 2378366, кл. C12N1/16; C12P7/06. Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039, обладающий осмофильными свойствами, для получения спирта. — Опубл. 10.01.2010. Бюл. № 1.

References

1. Nweke C. O. Effects of metals on dehydrogenase activity and glucose utilization by Saccharomyces cerevisiae. Nigerian Journal of Biochemistry and Molecular Biology, 2010, vol. 25, no. 2, pp. 28-35.

2. Verbelen P. J., Saerens M. G., Van Mulders S. E. The role of oxygen in yeast metabolism during high cell density brewery fermentations. Microbiol and biotechnol, 2009, vol. 82, pp. 1143-1156.

3. Polyakov V. A., Rimareva L. V. [Resource-saving technology of alcohol]. In: Teoreticheskie osnovy pishchevykh tekhnologii [Theoretical Foundations of Food Technologies]. Book 2, ed. by V. A. Panfilov. Moscow, Koloss Publ., 2009, pp. 1280-1305.

4. Ustinova A. S., Meledina T. V. [Biosynthesis of Volatile Higher Alcohols in the Process of Alcoholic Fermentation]. Institut kholoda i bio tekhnologii. Industriya napitkov, 2012, no. 4, pp. 8-11.

5. Rimareva L. V. et al. [Accumulation of metabolites by yeast Saccharomyces cerevisiae 1039]. Khranenie i pererabotka selkhozsyrya. 2016, no. 5, pp. 23-27.

6. Kadieva A. T. et al. [The influence of extreme temperatures and osmosis on the properties of the new races Saccharomyces cerevisiae 985-T and 987-O]. Proizvodstvo spirta i likerovod-ochnykh izdelii, 2003, no. 4, pp. 38-40.

7. Rimareva L. V. et al. [Influence of enzymatic complexes on the metabolism of alcohol yeast and the accumulation of ions of inorganic nature in concentrated wort]. Vestnik Rossiiskoi sel'skokhozyaistvennoi nauki, 2016, no. 3, pp. 28-31.

8. Shelekhova N. V., Polyakov V. A., Rimareva L. V. [Capillary electrophoresis as a highly effective analytical method for studying the composition of complex biological media]. Pivo inapitki, 2017, no. 2, pp. 34-38.

9. Abramova I. M. et al. [The importance of the ionic composition of vodkas in the control of alcohol products]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2013, no. 2, pp. 20-23.

10. Shelekhova N. V., Rimareva L. V. [Investigation of the ionic composition of intermediates of alcohol production using the methods of capillary electrophoresis]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2012, no. 3, pp. 25-27.

11. Turshatov M. V., Polyakov V. A., Ledenev V. P. [Technological bases of alcohol production with increased organoleptic parameters]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2008, no. 2, pp. 29-31.

12. A strain of yeast Saccharomyces cerevisiae 1039, having osmo-philic properties, to produce alcohol. Patent RF No. 2378366, cl. C12N1 / 16; C12P7 / 06; 10.01.2010.

Влияние ионного состава воды на метаболизм дрожжей

Ключевые слова

анионы; катионы; концентрированное сусло; метаболизм; осмофильные дрожжи; побочные продукты; этанол

Реферат

Известно, что на направленный синтез этанола может оказывать влияние не только раса дрожжей, обеспечивающая пониженное образование побочных метаболитов, но и качество зернового сырья, степень конверсии полимеров зернового сусла. Знание регуляторных факторов, оказывающих воздействие на образование сопутствующих синтезу этанола метаболитов, дает возможность совершенствовать биотехнологические процессы бродильных производств. В этих целях было изучено влияние ионного состава воды и ее жесткости на метаболизм осмофильной расы дрожжей при сбраживании концентрированного пшеничного сусла. Работы проводились во ВНИИ пищевой биотехнологии. Сбраживание концентрированного пшеничного сусла, подготовленного на четырех видах воды различного ионного состава, осуществляли осмофильной расой дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039. Определяли влияние ионного состава воды и концентрированного пшеничного сусла на изменение концентрации катионов, анионов органических и неорганических кислот в динамике процесса брожения. Установлено, что наибольшее их количество накапливалось при сбраживании сусла, приготовленного на воде с повышенной жесткостью и минеральным составом. Суммарное количество органических кислот на конец брожения было в 1,3-1,6 раза выше, чем на сусле, приготовленном на воде с меньшей жесткостью, за счет накопления в среде щавелевой, яблочной, янтарной и молочной кислот: 3712 мг/дм3 против 2193-2756 мг/дм3. Установлена зависимость синтеза вторичных и побочных метаболитов от ионного состава воды. Показано, что использование воды с пониженным содержанием ионов хлора, кальция, натрия, магния позволяет снизить к концу брожения образование побочных продуктов брожения в 1,5-1,7 раза за счет пониженного синтеза высших и ароматических спиртов, альдегидов, органических кислот. Использование воды с минерализацией не более 3,5 г/дм3 и жесткостью не более 3,1°Ж при подготовке концентрированного пшеничного сусла способствует целенаправленному метаболизму осмофильной расы дрожжей, повышению уровня синтеза этанола с одновременным снижением образования побочных метаболитов к концу брожения.

Авторы

Серба Елена Михайловна, д-р биол. наук, профессор; Оверченко Марина Борисовна, канд. техн. наук; Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, академик; Игнатова Надежда Иосифовна; Амелякина Мария Валентиновна, аспирант; Шелехова Наталья Викторовна, канд. экон. наук; Веселовская Ольга Владимировна; Мартыненко Николай Николаевич, канд. биол. наук ВНИИ пищевой биотехнологии — филиал «ФИЦ питания и биотехнологии», 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4б, serbae@mail.ru, mb_over@mail.ru, lrimareva@mail.ru

The Influence of Ionic Composition of Water on the Metabolism of Yeast

Key words

anions; cations; concentrated wort; metabolism; osmophilic yeast; side metabolites; ethanol.

Abstract

Works of recent years shows that directed the synthesis of ethanol may influence not only the race of yeast, providing reduced formation of side metabolites, but the quality of the grain raw material, and the degree of conversion of polymer grain wort. Knowledge of regulatory factors that have an impact on education related to the synthesis of ethanol metabolites provides an opportunity to improve biotech-nological processes fermentation industries. Objective: to study the effect of the ionic composition of water and its stiffness on the metabolism of the osmophilic yeast with fermentation of concentrated wheat wort. The work was carried out at Institute of food biotechnology. The fermentation of concentrated wheat wort prepared on 4 types of water of different ionic composition, was carried out by the osmophilic race of the yeast Saccharomyces cerevisiae 1039. The influence of ionic composition of water and concentrated wheat wort on the change in the concentration of cations, anions, organic and inorganic acids in the dynamics of the fermentation process. It was found that the greatest number of them accumulated during fermentation of wort, prepared on water with increased rigidity and mineral composition. The total amount of organic acids at the end of fermentation was 1.3-1.6 times higher than in wort prepared with less rigidity water, due to the accumulation of oxalic, malic, succinic and lactic acids in the medium: 3,712 mg/dm3 vs. 2,193-2,756 mg/dm3. The dependence of the synthesis of secondary and side metabolites from the ionic composition of the water. It is shown that the use of water with a reduced content of chloride, calcium, sodium, magnesium ions makes it possible to reduce by the end of fermentation the formation of by-products of fermentation by a factor of 1.5-1.7 due to a lower synthesis of higher and aromatic alcohols, aldehydes, organic acids. The use of water with a degree of mineralization of no more than 3.5 g/dm3 and a stiffness of not more than 3.1° in the preparation of concentrated wheat must contribute to the purposeful metabolism of the osmophilic yeast race, to increase the level of ethanol synthesis while reducing the formation of by-products to the end of fermentation.

Authors

Serba Elena Mikhailovna, Doctor of Biological Science, Professor;

Overchenko Marina Borisovna, Candidat of Technical Science;

Rimareva Lyubov Vyacheslavovna,

Doctor of Technical Sciences, Academician of the RAS;

Ignatova Nadezhda Iosifovna;

Amelyakina Maria Valentinovna, Post-graduate Student;

Shelekhova Natalia Viktorovna, Candidate of Economic Science;

Veselovskaya Olga Vladimirovna;

Martynenko Nikolay Nikolaevich, Candidate of Biological Science All-Russian Research Institute of Food Biotechnology — branch «Federal Research Center for Nutrition and Biotechnology», 4b Samokatnaya str., Moscow, 111033, Russia, serbae@mail.ru, mb_over@mail.ru, lrimareva@mail.ru