charakterystyka fermentacji roztworów modelowych z u¯yciem

CHARAKTERYSTYKA FERMENTACJI ROZTWORÓW MODELOWYCH Z
UŻYCIEM MONOKULTUR DROŻDŻY DZIKICH I SZLACHETNYCH
Paweł Satora, Tadeusz Tuszyński
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
Akademia Rolnicza, al. 29 listopada 46, 31-425 Kraków
e-mail: [email protected]; [email protected]
WSTĘP
W tradycyjnej technologii wytwarzania win, naturalna (spontaniczna) fermentacja soku
gronowego przeprowadzana jest przez mieszankę różnych szczepów drożdżowych. W początkowym
okresie, inicjują ją drożdże z rodzajów: Kloeckera (zwłaszcza Kloeckera apiculata), Hanseniaspora
(Hanseniaspora uvarum), Debaryomyces (Debaryomyces hansenii) oraz Candida (Candida stellata i
C. pulcherrima). Pochodzą one głównie z powierzchni winogron oraz naczyń i urządzeń winiarni. W
świeżym moszczu gronowym, stężenie populacji drożdży mieści się w granicach 103 – 106 jtk/ml.
Ilość komórek S. cerevisiae jest bardzo niska. Szczepy dzikie mogą osiągać końcowe stężenie 106 –
109 jtk/ml. Taka wysoka ich zawartość ma istotny wpływ na skład chemiczny i cechy sensoryczne
napoju alkoholowego.
Podczas fermentacji drożdże dzikie w większości wymierają, wraz ze wzrastającym stężeniem
etanolu, stwarzając nisze w której zaczyna przeważać silnie fermentatywny gatunek Saccharomyces
cerevisiae. Dotychczasowe badania wykazały, że niektóre dzikie szczepy mogą przeżywać nawet do
końcowego etapu fermentacji.
Niniejsza praca jest kontynuacją badań mających za zadanie scharakteryzowanie mikroflory
występującej w sadzie śliwy Węgierki Zwykłej z okolic Łącka, skąd owoce są wykorzystywane do
produkcji Śliwowicy Łąckiej.
Celem analiz było określenie zdolności fermentacyjnych drożdży wyizolowanych w
początkowej fazie fermentacji moszczu śliwkowego i porównanie ich ze szlachetnymi drożdżami
winiarskimi.
W
przefermentowanych
roztworach
modelowych
badano
przyrost
biomasy,
wykorzystanie cukrów, zawartość etanolu oraz innych ubocznych produktów fermentacji, które w
procesie destylacji mogą przechodzić do destylatu.
METODYKA
Użyte szczepy drożdżowe (Candida pulcherrima K5, Saccharomyces cerevisiae K1 i K3)
wyizolowane zostały w początkowej fazie fermentacji spontanicznej moszczów śliwkowych. Szczep
Saccharomyces cerevisiae „Burgund” pochodził z Kolekcji Czystych Kultur Drożdżowych Katedry
Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej, Akademii Rolniczej w Krakowie.
Dwudniowa kultura namnożona na skosach brzeczkowych przeszczepiana była do 20 ml
sterylnej brzeczki słodowej i przetrzymywana w cieplarce (300C) przez 48 h. Uzyskaną gęstwę
drożdżową odwirowywano (2500 obr/min, 10 minut), przemywano sterylną wodą destylowaną,
ponownie odwirowywano. Fermentację prób prowadzono w kolbach stożkowych o pojemności 500
ml, zawierających 200 ml podłoża Wickerhamma w modyfikacji Romano (z 5% glukozy) i
zabezpieczonych rurkami fermentacyjnymi (14 dni, temperatura pokojowa) [Romano i in., 1996].
W przefermentowanych przez powyższe szczepy roztworach modelowych, badano przyrost
biomasy, stopień wykorzystania źródła węgla, zawartość i wydajność produkcji etanolu oraz niektóre
komponenty składu jakościowego i ilościowego uzyskanych destylatów (chromatografia gazowa) tj.
metanol, 1-propanol, butanol, izo-butanol, alkohole amylowe, pentanol, heksanol, alkohol 2fenyloetylowy, aldehyd octowy, kwas octowy i octan etylu.
WYNIKI
W trakcie analiz zwrócono uwagę na duże podobieństwo szczepów Saccharomyces cerevisiae
K1, K3 i „Burgund”, natomiast szczep Candida pulcherrima wyróżniał się składem ilościowym oraz
jakościowym otrzymywanych destylatów.
Szczepy drożdży z gatunku Saccharomyces cerevisiae, zarówno dzikie jak i szlachetne,
wykazywały zbliżoną dynamiką fermentacji. Proces ten kończył się po upływie 6 dni. Szczep Candida
pulcherrima charakteryzował się dużo wolniejszą dynamiką fermentacji (11 dni). Równocześnie
drożdże te w najniższym stopniu wykorzystały obecne w pożywce węglowodany (88 %).
Stwierdzono, że w przeciwieństwie do drożdży Saccharomyces cerevisiae (ok. 0,02 g / 1 g
glukozy), szczep Candida pulcherrima w znacznie wyższym stopniu, ukierunkowany był na
biosyntezę biomasy (0,08 g/ 1 g glukozy). Wydajność produkcji alkoholu u wszystkich badanych
mikroorganizmów kształtowała się na zbliżonym poziomie (ok. 0,5 g / 1 g glukozy), natomiast jego
stężenie w roztworach przefermentowanych wynosiło przeciętnie 22 g/l.
W składzie jakościowym i ilościowym destylatów, również wyróżniał się szczep Candida
pulcherrima, który wytwarzał stosunkowo największe ilości metanolu (12 mg/l), propanolu (13 mg/l),
izobutanolu (69 mg/l) i acetaldehydu (42 mg/l). Na szczególną uwagę zasługuje także wyjątkowa
zdolność tego szczepu do produkcji octanu etylu (200 mg/l), podczas gdy w roztworach
przefermentowanych przez szczepy Saccharomyces, stężenie tego związku nie przekroczyło 2 mg/l.
W przypadku alkoholi izoamylowych i kwasu octowego, najwyższe ich ilości stwierdzono u
szczepów dzikich Saccharomyces cerevisiae (ok. 40 mg/l i ok. 240 mg/l).
Powyższe wyniki potwierdzają dotychczasowe badania, w których stwierdzono, że szczepy
dzikie rozpoczynające fermentację tj. Candida pulcherrima, charakteryzują się wysoką produkcją
związków lotnych, natomiast drożdże Saccharomyces cerevisiae, kończące proces, wytwarzają
znaczne ilości tzw. ubocznych komponentów fermentacji alkoholowej.
Rysunek 1. Dynamika procesu fermentacji z udziałem różnych szczepów drożdży
2,1
1,8
Ubytek masy [%]
1,5
1,2
Saccharomyces cerevisiae K1
Saccharomyces cerevisiae K3
Candida pulcherrima K5
Saccharomyces cerevisiae "Burgund"
0,9
0,6
0,3
0
0
2
4
6
8
Dzień fermentacji
10
12
14
Rysunek 2. Zużycie cukrów i wydajność procesu fermentacji
100
98
96
94
92
Zużycie cukrów [%]
Wydajność procesu [%]
90
88
86
84
82
Saccharomyces
cerevisiae K1
Saccharomyces
cerevisiae K3
Candida pulcherrima
K5
Saccharomyces
cerevisiae "Burgund"
Rysunek 3. Przyrost biomasy i produkcja alkoholu
0,6
0,5
0,4
Przyrost biomasy [g/ 1 g glukozy]
Alkohol [g/ 1 g glukozy]
0,3
0,2
0,1
0
Saccharomyces
cerevisiae K1
Saccharomyces
cerevisiae K3
Candida
pulcherrima K5
Saccharomyces
cerevisiae
"Burgund"
Rysunek 4. Produkcja metanolu i fuzli przez drożdże
70
60
Zawartość mg / l
50
Saccharomyces cerevisiae K1
Saccharomyces cerevisiae K3
Candida pulcherrima K5
Saccharomyces cerevisiae "Burgund"
40
30
20
10
0
metanol
propanol
izobutanol
izoamylowe
Rysunek 5. Produkcja związków karbonylowych, estrów i kwasów przez drożdże
300
Zawartość w mg / l
250
200
Saccharomyces cerevisiae K1
Saccharomyces cerevisiae K3
Candida pulcherrima K5
Saccharomyces cerevisiae "Burgund"
150
100
50
0
acetaldehyd
octan etylu
kwas octowy
WNIOSKI
1. Wszystkie mikroorganizmy użyte do fermentacji roztworów modelowych wytwarzają etanol oraz
inne związki lotne i mają bezpośredni wpływ na skład chemiczny destylatów.
2. Szczepy dzikie i szlachetne z gatunku Saccharomyces cerevisiae, wykazały bardzo zbliżoną
charakterystykę fermentacyjną. Różnice polegały jedynie na podwyższonej produkcji alkoholi
izoamylowych przez szczepy dzikie. Szczepy K1 i K3 mogą być stosowane, do
odfermentowywania moszczów owocowych.
3. Drożdże Candida pulcherrima wyróżniają się zarówno pod względem dynamiki procesu, jak i
składu ilościowego uzyskiwanych destylatów. Ich cechą charakterystyczną jak niezwykle wysoka
produkcja octanu etylu. Proponuje się, wykorzystanie tych drożdży, jako kultury starterowej, przy
wytwarzaniu win gronowych i owocowych.
LITERATURA
1. Fernandez M.T., Ubeda J.F., Briones A.I. 1999. Comparative study of non-Saccharomyces
microflora of musts in fermentation, by physiological and molecular methods. FEMS
Microbiol. Lett. 173, 223-229
2. Granchi L., Ganucci D., Messini A., Vincenzini M. 2002. Oenological properties of
Hanseniaspora osmophila and Kloeckera corticis from wines produced by spontaneous
fermentations of normal and dried grapes. FEMS Yeast Research 2, 403-407
3. Romano P., Suzzi G., Domizio P., Fatichenti F. 1996. Secondary products formation as a tool
for discriminating non-Saccharomyces wine strains. Antonie van Leeuwenhoek 74, 1-4.
4. Sipiczki M. 2001. Analysis of yeast derived from natural fermentation in Tokaj winery.
Antonie van Leeuwenhoek 79, 97-105.
5. Torija M.J., Rozes N., Poblet M., Guillamon J.M., Mas A. 2001. Yeast population dynamics
in spontaneous fermentations: Comparison between two different wine-producing areas over a
period of three years. Antonie van Leeuwenhoek 79, 345-352
6. Zohre D.E., Erten H. 2002. The influence of Kloeckera apiculata and Candida pulcherrima
yeasts on wine fermentation. Process Biochemistry 38, 319-324