Исследование влияния БАВ геотермальной воды на метаболизм спиртовых дрожжей
Амреева Ж.
Геотермальные воды являются новыми нетрадиционными возобновляемыми природными источниками для использования не только в традиционных целях (лечебные препараты, подогрев парников и т.д.), но и для применения в микробиологических процессах, например, для приготовления питательных сред, т.к. в составе подземных вод содержатся минеральные и органические источники питания и БАВ [1].
Целью данной работы являлось исследование влияния БАВ геотермальной воды на метаболизм спиртовых дрожжей и выход этилового спирта. После тщательного анализа имеющихся в области источников использовали геотермальные воды источника «Денсаулык-26» Байдибекского района Южно-Казахстанской области.
Критериями для отбора природной геотермальной воды служили отсутствие радиоактивности, свинца, ртути, лития и алюминия, а также степень минерализации и органолептические свойства. Вода источника «Денсаулык-26» является сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатной натриевой и имеет следующий состав (г/л): аммоний -0,0013; натрий-1,62; калий-0,0098; магний- 0,91; кальций-0,012; железо-0,001; марганец-0,00004; фтор-0,0015; хлор-0,75; бром-0,91; йод-0,0009; сульфаты-0,70; гидрокорбанаты-1,12; борная кислота -0,021, кремниевая кислота -0,05. Вода содержит также органические компоненты, в том числе (мг/л): битум-1,5 и гумусовые вещества -9,2. По органолептическим показателям вода представляет собой бесцветную жидкость, без запаха, с привкусом мела. Углекислота в свободной форме присутствует в количестве 158,3 мг/л, сероводород не обнаружен.
Объектом исследования служили также дрожжи S.cerevisiae №-49a из коллекции микроорганизмов лаборатории биотехнологии ЮКГУ им. М.Ауезова (Шымкент).
Для культивирования дрожжей использовали мелассные питательные среды с геотермальной водой и без нее. Процесс сбраживания осуществляли глубинным методом в периодическом режиме с циклом 48 ч в анаэробных условиях на лабораторной установке при температуре 25±20С. К мелассе добавляли разбавленную геотермальную воду с минерализацией 4,2-4,5г/л с определенным качественным и количественным составом. Содержание углеводов составило около 19,0 г/100см3. Стерильную питательную среду разливали по 1,10 л в сосуды вместимостью 2,5 л, затем засевали вегетативной культурой дрожжей S.cerevisiae №-49a в количестве 100 мл из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на мелассной среде с геотермальной водой. Процесс сбраживания на традиционной мелассной питательной среде осуществляли также, но с содержанием гидроортофосфата аммония 1,2 г/л, сернокислого аммония 4,0г/л. Вегетативная культура из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на мелассной питательной среде содержала 55,9 млн/мл клеток. По окончании эксперимента дрожжи отделяли от культуральной жидкости центрифугированием на лабораторной стационарной центрифуге. На всех этапах исследований осуществляли контроль за технологическими свойствами сбраживаемого субстрата и морфологией дрожжевых клеток.
Накопление популяции дрожжей с интенсификацией углеводного обмена наблюдали на всех этапах процесса на питательной среде с использованием геотермальной воды (рис.1).
Рисунок 1. Динамика образования биомассы дрожжей S.cerevisae№-49a при культивировании на традиционной питательной среде (1) и среде с геотермальной водой (2).
Исследование морфологических свойств дрожжевой культуры на стадии получения инокулята показали, что после 48 часовой ферментации в 1мл опытной дрожжевой суспензии содержалось 120 млн/мл клеток, имеющих округлую (80%) и овальную (20%) форму с размерами от 4 х 6 до 6 х 8 µкм ; мертвых клеток - 0,02%; почкующихся- 18%. При этом в контрольной суспензии было 61,1 млн/мл клеток в основном округлой (90%) и овально - округлой формы (10%); мертвых клеток - 0,04%; почкующихся - 15,6 %. Повышенная скорость метаболических процессов в клетках на среде с геотермальной водой приводит к тому, что фазы роста дрожжей S.cerevisae№-49a протекают с опережением относительно контроля.
Влияние различных питательных сред на образование в бродящем мелассном сусле кетонов, эфиров, альдегидов и ароматических веществ характеризуют данные таблицы 1.
Таблица 1. Влияние состава питательной среды на образование побочных продуктов спиртового брожения
|
Продукт брожения,мг/дм3 |
Питательная среда |
||
|
Мелассная питательная среда с геотермальной водой |
Мелассная питательная среда |
||
|
Ацетальдегид |
2085,5 |
3589,2 |
|
|
Ацетон |
13,1 |
13,4 |
|
|
Бутанол-2 |
2,03 |
5,07 |
|
|
Этилацетат |
153,2 |
427,8 |
|
|
Метанол,об % |
0,01 |
0,06 |
|
|
Пропанол-2 |
2,7 |
7,1 |
|
|
Пропанол-1 |
765,1 |
1083,2 |
|
|
Изобутанол |
230,5 |
398,4 |
|
|
Бутанол-1 |
62,1 |
97,3 |
|
|
Изоамилол |
1201,1 |
2103,5 |
|
|
Гексанол |
15,3 |
37,1 |
|
|
Бутанол-2 |
6,5 |
13,2 |
|
|
Кротональдегид |
33,5 |
27,1 |
|
|
Фенилалкоголь |
120,1 |
193,5 |
геотермальный метаболизм дрожжи спирт
Наличие в геотермальной воде таких важных биологически активных веществ, необходимых для жизнедеятельности живых организмов, как К, Na, Mg, Ca, Fe, Mn, борная, кремниевая кислоты, органические вещества, являющиеся стимуляторами физиолого - биохимических процессов и активаторами мембранных перестроек в живой клетке, создает благоприятные условия для интенсификации спиртового брожения с образованием более высокого содержания этилового спирта. Различный биосинтез побочных продуктов в разных питательных средах может являться результатом регуляторных функций клетки. На мелассной питательной среде геотермальной воды, несмотря на повышенный выход спирта, синтезируется почти вдвое меньше примесных соединений в основном за счет снижения образования высших спиртов и альдегидов по сравнению с контрольным вариантом. Высшие спирты представлены в исследуемых образцах следующими компонентами: пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1, бутанол-2, изобутанол, изоамилол, гексанол, которые сами по себе, и тем более присутствуя вместе, отрицательно влияют на конечный продукт.
Т.о., использование геотермальной воды, как биологически активного стимулятора в составе питательной среды, позволяет не только интенсифицировать процесс брожения, но и улучшить качество целевого продукта.
Установлено также, что чем больше размер клеток, тем интенсивнее осуществляется синтез этанола. Выявлена возможность изменения регуляции метаболизма дрожжей. Установлена интенсификация биосинтеза этанола в сбраживаемой среде (на 28%) и снижение нежелательных примесных соединений (на 43%). Обнаружена большая степень чистоты сброженного продукта - сырья для производства высококачественного спирта - ректификата.
Литература
1. Абрамов Ш.А., Халилова Э.А., Магадаева С.О. Новые в биотехнологии синтез этанола выбраживаемой среде // Хранение и переработка сельхозсырья, 2006, № 12, С. 51-54.
2. Методы технологического и микробиологического контроля в виноделии.-М.:Пищевая промышленность,1980.-45c