ШТАММ ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES CEREVISIAE 1039, ОБЛАДАЮЩИЙ ОСМОФИЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА
YEAST STRAIN SACCHAROMYCES CEREVISIAE 1039 HAVING OSMOPHILIC PROPERTIES AND USED TO OBTAIN ALCOHOL

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к созданию нового штамма спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039 (ВКПМ Y-3327), обладающего осмофильными свойствами и способного сбраживать зерновое сусло с концентрацией сухих веществ выше 30%. Штамм получен селекцией из известного штамма Saccharomyces cerevisiae Y-3136 путем многоступенчатой селекции с использованием эффективных методов мутагенеза. Изобретение обеспечивает эффективность сбраживания высоконцентрированных зерновых сред с образованием этилового спирта в бражке более 15,0 об.%.
Биотехнологической основой спиртового производства являются процессы конверсии высокомолекулярных полимеров растительного сырья для последующей микробной трансформации сахаров в этанол.
Одним из способов повышения рентабельности спиртового производства является использование высококонцентрированного зернового сусла с последующим сбраживанием его дрожжами, обладающими высокой осмофильностью. Поэтому получение и применение дрожжей, толерантных к основному продукту их жизнедеятельности (этанолу), - одна из возможностей интенсифицировать биохимические процессы спиртового брожения. Кроме того, сбраживание концентрированных сред способствует снижению выхода послеспиртовой барды - одного из вторичных продуктов спиртового брожения.
Важным фактором, определяющим эффективность спиртового производства, является физиологическая активность дрожжевых клеток. Плотность дрожжевой популяции, бродильная активность и продуктивность дрожжей оказывают существенное влияние на стабильное протекание процесса брожения, скорость сбраживания крахмалсодержащего сырья и выход целевого продукта.
В процессе жизнедеятельности дрожжей, их внутрипопуляционного регулирования роста возникают не зависящие от микроорганизмов факторы, негативно влияющие на физиологическое состояние дрожжевых клеток. К этим факторам можно отнести создаваемые извне или возникающие в процессе жизнедеятельности дрожжей условия субстратного лимитирования, ингибирования продуктами метаболизма, высокими концентрациями среды и др. В результате происходят необратимые процессы, негативно сказывающиеся на росте и размножении дрожжей, их качестве, что, в конечном итоге, приводит к снижению бродильной активности клеток и технологических показателей процесса брожения. Продолжительная генерация промышленных рас дрожжей ведет также к ослаблению культур и утрате их технологических возможностей.
В связи с этим селекция новых дрожжевых штаммов, обладающих повышенной осмофильностью и спиртоустойчивостью, актуальна.
Известны штаммы спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 985-T и 987-O [1, 2]. По сравнению с известной промышленной расой Saccharomyces cerevisiae XII, а также Saccharomyces cerevisiae Y-319 [3], сбраживающими зерновое сусло с концентрацией сухих веществ 16-18% и выдерживающими концентрацию спирта до 12 об.%, они обладают способностью к сбраживанию более концентрированного зернового сусла (20-28% СВ).
Наиболее близким к заявляемому объекту является штамм Saccharomyces cerevisiae Y-3136 [4], обладающий осмофильными свойствами и применяющийся в качестве средства, снижающего образование побочных метаболитов в процессе получения спирта. При сбраживании осахаренного ячменного сусла с концентрацией сухих веществ 26% с использованием этого штамма в бражке через 72 часа брожения образуется 13,1 об.% этанола.
Недостатком штамма Y-3136 является неполное сбраживание им сусла с концентрацией сухих веществ выше 30% и отсутствие у него устойчивости к высоким концентрациям спирта в бражке (более 14,0 об.%).
Задачей, поставленной настоящим изобретением, является получение штамма спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae, обладающего способностью сбраживать осахаренное зерновое сусло с концентрацией сухих веществ выше 30% и повышенной устойчивостью к продукту своей жизнедеятельности - этанолу.
Технический результат, получаемый от использования нового штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039 (ВКПМ Y-3327), заключается в повышении эффективности спиртового производства за счет сбраживания высоконцентрированного сусла, увеличения выхода спирта, существенной экономии воды на производстве, значительного сокращения выхода послеспиртовой барды.
Задача решается созданием нового осмофильного штамма дрожжей путем селекции и мутагенеза из известного штамма Saccharomyces cerevisiae Y-3136.
Заявляемый штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 получен путем многоступенчатой селекции и мутагенеза с использованием эффективных химических и физических мутагенов; депонирован в ВКПМ под регистрационным номером Y-3327.
В результате мутагенеза после неоднократного отбора и рассева вариантов был получен штамм спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039, обладающий высокой продуктивностью и бродильной способностью к сбраживанию осахаренного крахмалсодержащего сусла с концентрацией сухих веществ 30-36%.
Изучали способность сбраживать зерновое осахаренное сусло путем выращивания заявляемого штамма на высоконцентрированных жидких средах в стационарных условиях. Сравнительные технологические показатели (концентрация РВ, спирта, сумма побочных метаболитов в бражке) штамма Saccharomyces cerevisiae 1039 с прототипом представлены в табл.1.
Таким образом, в результате селекции и мутагенеза получен новый штамм Saccharomyces cerevisiae 1039, обладающий осмофильными свойствами, что позволяет повысить технологичность процесса сбраживания осахаренного зернового сусла с концентрацией сухих веществ выше 30%. Штамм отличается от известного и по культурально-морфологическим признакам.
Штамм хранится в виде лиофильно высушенной культуры и на косяках с сусло-агаром в отделе биотехнологии ферментных препаратов в пищевой промышленности государственного научного учреждения ВНИИ пищевой биотехнологии Россельхозакадемии г.Москвы.
Штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 характеризуется следующими свойствами.
Культуральные признаки. На 4 суток роста при 30°С поверхность колонии на сусло-агаре однородная, блестящая, наблюдается радиальная складчатость; профиль колонии слегка выпуклый, форма колонии округлая; края колонии волнистые, цвет молочный; диаметр колонии 18×18 мм.
Морфология штамма. Размер клеток в бродящем солодовом сусле 2×2 - 6×6 мкм.
Физиолого-биохимическая характеристика. Тип катабализма - дыхание. Отношение к кислороду - анаэроб. Оптимальная температура роста 30-32°С.
Штамм непатогенен.
Штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 использовали для сбраживания осахаренных крахмалсодержащих сред с концентрацией сухих веществ выше 30%.
Изобретение характеризуется следующими примерами.
3
Пример 1. Для проведения брожения используют осахаренное ржаное сусло концентрацией сухих веществ 30%. Сусло готовят из помола пшеницы с последующим развариванием при 1,5 атм. в течение 1,5 часов. Сусло осахаривают с добавлением в него ферментов - источников α-амилазы, глюкоамилазы, ксиланазы и грибной протеазы из расчета 2,5 ед. АС/г, 12 ед. ГлС/г, 0,15 ед. КС/г и 0,1 ед. ПС/г крахмала сырья. Осахаренное сусло засевают дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы Y-3136 и 1039 в количестве 20 млн/см среды и проводят процесс брожения при 30°С в течение 72 часов.
В данных условиях заявляемый штамм заканчивает брожение на 6 часов раньше, чем в контрольном варианте, накапливая при этом больше этанола на 1,1 об.%. В таблице 1 приводятся данные сопоставительного анализа заявляемого штамма 1039 и штамма Y-3136.
Таблица 1Сравнительная оценка физиологической активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae при сбраживании пшеничного сусла
Показатель
Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae
Y-3136
1039
Длительность полного сбраживания сахаров
72 часа
66 часов
Этиловый спирт, об.%
14,5
15,1
РВ, г/100 см<sup>3</sup>
1,52
0,81
3
Пример 2. Для проведения брожения используют пшеничное сусло с концентрацией сухих веществ 33,5%. Сусло готовят из помола ржи с применением механико-ферментативной обработки. Сусло осахаривают с добавлением в него ферментов - источников α-амилазы, глюкоамилазы, ксиланазы и протеазы из расчета 1,0 ед. АС/г, 12 ед. ГлС/г, 0,2 ед. КС/г и 0,2 ед. ПС/г крахмала сырья. Осахаренное сусло засевают дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы Y-3136 и 1039 в количестве 20 млн/см среды и проводят процесс брожения при 30°С в течение 72 часов.
В данных условиях заявляемый штамм заканчивает брожение на 6 часов раньше, чем в контрольном варианте, накапливая при этом больше этанола на 2,2 об.%. В таблице 2 приводятся данные сопоставительного анализа заявляемого штамма 1039 и штамма Y-3136.
Таблица 2Сравнительная оценка физиологической активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae при сбраживании ржаного сусла
Показатель
Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae
Y-3136
1039
Длительность полного сбраживания сахаров
72 часа
66 часов
Этиловый спирт, об.%
14,5
16,7
РВ, г/100 см<sup>3</sup>
2,37
0,88
3
Пример 3. В хорошо осахаренное зерновое сусло с концентрацией сухих веществ 30% вносят дрожжи Saccharomyces cerevisiae расы Y-3136 и 1039 в количестве 20 млн/см среды и проводят процесс брожения при 30°С. На 24 часа брожения в бродящее сусло вносят дополнительно 5 об.% этилового спирта и продолжают процесс брожения до 72 часов. В таблице 3 приводятся данные сопоставительного анализа заявляемого штамма 1039 и штамма Y-3136 на их спиртоустойчивость. Как видно из табл.3, заявляемый штамм S. cerevisiae 1039 выдерживает концентрацию спирта на 4,7 об.% больше, чем известный штамм.
Таблица 3Сравнительная оценка спиртоустойчивости дрожжей Saccharomyces cerevisiae
Раса дрожжей
Количество дрожжей, млн/см<sup>3</sup>
Характеристика брожения
на 24 часа роста
на 48 часов роста
Спирт на 72 часа, об.%
Прирост спирта, об.%
всего
мертвых, %
Y-31361039
120560
90380
5221
14,819,5
04,8
3
Пример 4. Для проведения брожения используют осахаренное пшеничное сусло концентрацией сухих веществ 29%. Сусло готовят из помола пшеницы с применением механико-ферментативной обработки. Осахаренное сусло засевают дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы Y-3136 и 1039 в количестве 20 млн/см среды и проводят процесс брожения при 30°С. На 24 часа брожения в бродящее сусло вносят 8% глюкозы и продолжают брожение до 72 часов.
В таблице 4 приводятся данные сопоставительного анализа заявляемого штамма 1039 и штамма Y-3136. Концентрация спирта в бражке, синтезируемого заявляемым штаммом, превышает аналогичный показатель с применением известного штамма на 4,3 об.%.
Таблица 4Сравнительная оценка физиологической активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae при сбраживании пшеничного сусла
Показатель
Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae
Y-3136
1039
Продолжительность брожения, часы
72
72
Этиловый спирт, об.%
13,9
18,2
Количество дрожжей на 24 ч брожения
96
595
Количество дрожжей на 48 ч брожения
64
740
РВ, г/100 см<sup>3</sup>
5,21
2,34
Используемые источники
1. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И. Особенности применения термотолерантных и осмофильных дрожжей для интенсификации спиртового брожения //5-я Междунар. научно-практич. конференция «О состоянии и направлениях развития производства спирта этилового из пищевого сырья и ликероводочной продукции» М., Пищепромиздат, 2005, С.25-30.
2. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Останина Е.В., Погоржельская Н.С. Повышение эффективности спиртового брожения с использованием термотолерантных и осмофильных дрожжей// Теоретические и практические аспекты развития спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности. Сборник научных трудов. 75 лет ВНИИПБТ, М., 2006, С.39-43.
3. АС СССР №1045630, 30.12.1984 г.
4. Заявка №2005137211/13 (041526), 30.11.2005 (прототип).