Влияние нитрат- и силикат-ионов на динамику потребления глюкозы дрожжами Saccharomyces cerevisiae w-95

УДК 663.452

Т. М. Панова, П. В. Энкениколай, Ю. Л. Юрьев ВЛИЯНИЕ НИТРАТ- И СИЛИКАТ-ИОНОВ НА ДИНАМИКУ ПОТРЕБЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ ДРОЖЖАМИ SACCHAROMYCES CEREVISIAE W-95

Ключевые слова: спиртовое брожение, нитрат- и силикат-ионы , кинетика роста дрожжей, кинетика биосинтеза этанола,

корректировка состава воды, модифицированные древесные угли.

Изучено влияние нитрат- и силикат-ионов на кинетические характеристики процесса ферментации глюкозы дрожжами Saccharomyces cerevisiae W-95. Показано, что для обеспечения высокого выхода этанола содержание нитрат-ионов не должно превышать 20 мг/дм3, силикат-ионов -10 мг/дм3. Для корректировки состава исходной воды предложено использовать двухступенчатую установку с применением модифицированных древесных углей.

Key words: alcoholic fermentation, nitrate and silicate ions, the kinetics of growth of yeast, kinetics of biosynthesis of ethanol, the

adjustment of the composition of the water, modified charcoal.

We studied the effect of nitrate and silicate ions on the kinetic characteristics of the process offermentation of glucose by Saccharomyces cerevisiae W-95. It is shown that to provide high output of ethanol content of nitrate-ions should not exceed 20 mg/dm3, silicate ions -10 mg/dm3. To adjust the initial water composition is proposed to use a two-stage installation with the use of modified wood coals.

Важным фактором в процессе спиртового брожения является компонентный состав питательной среды, его сбалансированность по питательным веществам, активаторам и ингибиторам. Содержание минеральных веществ оценивают по химическому составу дрожжей (табл.1).

Таблица 1 - Средний элементный состав дрожжевых клеток, %

Элемент Содержание Элемент Содержание

углерод 47 кальций 0,3.0,8

водород 6,5 калий 1,5.2,5

кислород 31 магний 0,1.0,4

азот 7,5...10 натрий 0,06.0,2

фосфор 1,6.3,5 сера 0,2

Содержание микроэлементов (мг/кг): железо 90...350, медь 20...135, цинк 100...160.

Учитывая элементный состав дрожжевой биомассы, даются рекомендации по оптимальному составу микроэлементов в питательной среде, которые обеспечивают требуемую скорость и характер различных биохимических процессов. Источниками микроэлементов в питательной среде являются сырье и, прежде всего, вода, используемая для приготовления сусла.

Ранее нами изучено влияние катионов железа (III), марганца (II), цинка и меди (II) на ферментацию глюкозы дрожжами Saccharomyces cerevisiae W-95 [1].

Целью данной работы является изучение влияния нитрат- и силикат-ионов на процесс спиртового брожения. Ферментация проводилась в условиях, описанных ранее [1].

Динамика удельной скорости роста дрожжей в присутствии нитрат-ионов, представленная на рисунке 1, показывает, что в первые двое суток нитрат-ионы, являясь дополнительным источником ассимилируемого азота, способствуют активному росту дрожжей. Далее, при концентрации нитрат-

ионов 0.10 мг/дм, удельная скорость роста изменяется аналогично контролю (С=0 мг/дм3). Однако, чрезмерный рост биомассы дрожжей нежелателен, что связано с дополнительным расходом экстракта сусла и повышенным образованием побочных продуктов брожения, некоторые из которых могут ухудшать качество пива. При концентрации 40 мг/дм3 скорость роста дрожжей снижается на 12,5% по сравнению с контролем.

0,315

0,000

rrr; „'J' к -1 г г'" -1 г "ч

г /2 i '/ // L— У,' J У ' - > * (

У J i ? и \

у/ Jf-—1 ? } 1

24

144

Рост дрожжей

48 72 96 120 Продолжительность, ч

Биосинтез этанола

168

» C(N03~):

0 м г/дм -2 м г/дм -

-  - C(N03")=10 мг/дм15 —*— Ci;N03")=40 мг/дм3

------C(NOj (=0 мг/дм^

-W--C(NO§ J = 2 мг/дм3 • -C(N03 )=10 мг/дм3 — C(N03" )=40 мг/дм3

Рис. 1 - Изменение удельной скорости роста дрожжей и биосинтеза этанола в присутствии нитрат-ионов

Образование этанола практически в 2 раза снижается в присутствии нитрат-ионов в концентрации 40 мг/дм3 (рис.1). Более низкие концентрации аниона способствуют образованию этанола в количестве 30.33 г/дм3. Удельные скорости образования спирта, изменение которых

представлено на рис. 4, свидетельствуют об ингибирующем действии нитрат-ионов в концентрации 40 мг/дм3 на спиртообразующую способность дрожжей. При более низком содержании нитрат-ионы не оказывают заметного ухудшения процесса ферментации.

Скорость потребления сахара в диапазоне концентраций нитрат-ионов 0.. .10 мг/дм3 изменяется незначительно (рис.2). Более высокая концентрация (С=40 мг/дм3) вызывает резкое торможение процесса утилизации сахара.

0.45 0,40 0,35 0,30 0.25 0.20 0,15 0,10 0.05 0.00

> ?

1 ГУ

г / с

//

,4 Г' 1

& /•г

У

и

О

24 48 72 96 120 144 163 Продолжительность, ч

„ С{N03" 1=0мг/дм3 -  -С(ГЮЗ".1=10 мг/дм3 —#— С(ШЗ") = 2 мг/дм3 —*— е(мш~)=40 мг/дм3

Рис. 2 - Изменение удельной скорости роста дрожжей и биосинтеза этанола в присутствии нитрат -ионов

Влияние силикат-ионов на удельную скорость роста дрожжей, представленное на рис. 3, показывает, что концентрация ионов до 10 г/дм3 практически не влияет на рост клеток. Увеличение концентрации до 50 г/дм3 приводит к снижению скорости роста на 23 %. Скорость потребления субстрата заметно снижается при концентрации силикат-ионов 50 г/дм3, что свидетельствует о снижении метаболических процессов в результате повышения вязкости среды.

0.025

0,020

«"С ,--<

/ г___ К

> •V /

£ // а — /

24

144

168

48 72 96 120 Продолжительность, ч

Роста дрожжей: Биосинтеза этанола:

* С((5Ю3)2")=С мг/дм3 .....С((5Ю3)2")=0 мг/дм3

—*—с((5ю3)2")=2 мг/дм3 - * -С((5ю3)2")=2 мг/дм3

-•— С((5Ю зГ~)=10 мг/дм3 Н-сдао3)г")=50 мг/дм3

-  -С!(5Юз)г")=10 мг/дм3 —*—С[(5Ю3)2")=50 мг/дм3

Рис. 3 - Изменение удельной скорости роста дрожжей и биосинтеза этанола в присутствии силикат-ионов

Изменение скорости биосинтеза этанола в присутствии силикат-ионов происходит

аналогичным образом (рис.3).

Рис. 4 - Влияние концентрации силикат-

ионов на выход этилового спирта

На рисунке 4 представлена зависимость концентрации силикат-ионов на выход спирта в условиях эксперимента, которая показывает, что негативное влияние силикат-ионов проявляется при концентрации более 15 мг/дм3.

На основании проведенных исследований можно рекомендовать содержание в питательной среде анионов, обеспечивающие высокие показатели спиртового брожения дрожжами Saccharomyces cerevisiae W-95: концентрация нитрат-ионов - не более 20 мг/дм3, силикат-ионов - не более 15 мг/дм3. При выборе концентрации силикатов в воде для пивоварения необходимо учитывать их влияние на коллоидную стойкость пива.

Учитывая повышенное содержание ионов в воде, используемой, например, для производства пива на ООО «Дикий хмель» (п. Белоярский Свердловской области), нами предложена запатентованная схема водоподготовки с использованием

модифицированных древесных углей [2].

На первой стадии обработки рекомендовано использовать активный древесный уголь, который обеспечивает адсорбцию основной массы примесей и поглощение нежелательных анионов за счет анионообменных свойств. Вторую стадию предлагается осуществлять с применением окисленного древесного угля, при этом происходит окончательная адсорбция примесей и удаление нежелательных катионов [3].

Таким образом, использование предложенной схемы позволит довести показатели качества воды до требуемых значений и обеспечить высокие технико-экономические показатели производства пива.

Литература

1. Энкениколай П.В., Панова Т.М., Юрьев Ю.Л. Влияние катионов некоторых металлов на динамику ферментации глюкозы дрожжами 8асЛаготусе8 сerevisiae Ш-95, Вестник КНИТУ, №6, Казань, 213-216 (2014).

2. Ю.Л. Юрьев, Н.А. Дроздова, К.Ю. Тропина, О.С. Пономарев, Т.М. Панова, Пат. 96367 Российская Федерация, Приоритет. Устройство для подготовки воды; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет». - № 96367; заявл. 26.02.2010; опубл. 27.07.2010, Бюл. № 21.

3. Ю.Л. Юрьев, Н.А.Дроздова, Т.М.Панова Доочистка артезианской воды с применением модифицированных древесных углей, Вестник КНИТУ, №19, Казань, 85-86 (2013).

© Т. М. Панова - доцент кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов УГЛТУ. ptm55@yandex.ru; П. В. Энкениколай - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов Уральского государственного лесотехнического университета, charekat@mail.ru; Ю. Л. Юрьев - асп. той же кафедры, odin-iz-19@yandex.ru.

© T. M. Panova - Associate Professor, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials USFEU, ptm55@yandex.ru; P. V. Enkenikolay - Doctor of technical sciences, Professor, head of the Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials USFEU, charekat@mail.ru; Y. L. Yuryev - The post-graduate student of the Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials USFEU, e-mail: odin-iz-19@yandex.ru.