Fermentacja zacierow ziemniaczanych z udzialem drozdzy

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 389-396
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH
Z UDZIAŁEM DROśDśY AMYLOLITYCZNYCH
Joanna Kawa-Rygielska, Joanna Chmielewska, Barbara Foszczyńska
Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Zakład Technologii Fermentacji,
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wstęp
Popularność upraw ziemniaków w Polsce wynika z tradycji, uwarunkowań
przyrodniczych, jakości gleb oraz moŜliwości wielokierunkowego ich wykorzystania.
Czynnikiem ograniczającym i redukującym z roku na rok powierzchnię upraw
ziemniaka jest głównie bariera niskiego popytu rynkowego na tle duŜej podaŜy. Aby
ziemniaki w dalszym ciągu mogły stanowić istotną pozycję na rynku polskim,
konieczna jest poprawa racjonalności ich zagospodarowania. Jednym ze sposobów
moŜe być wzrost wykorzystania omawianej rośliny jako surowca do produkcji
bioetanolu [KUPCZYK, EKIELSKI 2002; NOWACKI 2006]. W latach 70-tych i 80-tych
ziemniaki były podstawowym surowcem w kraju do produkcji spirytusu [JAROSZ 1995].
Aktualnie ich udział w produkcji spirytusu wynosi od kilku do kilkunastu procent [ZBIEĆ
2002]. Ziemniaki skrobiowe stanowią nadal cenny surowiec do produkcji etanolu ze
względu na wysoką zawartość skrobi w bulwach, jednak czynnikiem ograniczającym
ich zagospodarowanie do produkcji bioetanolu jest wysoka cena surowca i koszty jego
przetwarzania. Wysokie koszty upraw ziemniaków skrobiowych w stosunku do innych
roślin są częściowo rekompensowane wysoką wydajnością z jednostki powierzchni
[NOWACKI 2006]. JednakŜe moŜliwość wykorzystania ziemniaka do produkcji etanolu na
cele paliwowe wiąŜe się z koniecznością poszukiwania nowych rozwiązań
technologicznych oraz mikroorganizmów alternatywnych dla droŜdŜy Saccharomyces
cerevisiae [STECKA i in. 1996; STECKA i in. 1998; KŁOSOWSKI 2003; ALPER i in. 2006; PRASAD i
in. 2007]. Wprowadzenie modyfikacji technologicznych oraz nowych szczepów droŜdŜy
moŜe przyczynić się w znacznym stopniu do poprawy efektów ekonomicznych
wykorzystania ziemniaków do produkcji etanolu. Dlatego teŜ, Autorzy pracy
zaproponowali niekonwencjonalne rozwiązanie polegające na wykorzystaniu droŜdŜy
amylolitycznych do fermentacji zacierów ziemniaczanych.
Celem pracy była ocena przebiegu i efektów końcowych fermentacji etanolowej
przez droŜdŜe amylolityczne zacieru ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem
etapu scukrzania.
Materiał i metody
J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska
390
Materiałem uŜytym do badań były ziemniaki poddane procesowi parowania, a
następnie zacierania w warunkach przemysłowych w gorzelni ,,Oleśnica’’. Proces
upłynniania przeprowadzono z uŜyciem preparatu upłynniającego Termamyl 120L
firmy Novo Nordisk w dawce zgodnej z zaleceniami producenta. Zaciery przygotowano
bez uŜycia enzymów scukrzających. Fermentację etanolową prowadzono metodą
okresową w temperaturze 30°C z uŜyciem droŜdŜy gorzelniczych, w tym równieŜ
droŜdŜy modyfikowanych genetycznie [KAWA-RYGIELSKA 2004].
Materiał biologiczny stanowiły droŜdŜe: 1 - Schwanniomyces occidentalis (Sc), 2
- Saccharomyces diastaticus, 3 - Saccharomyces cerevisiae V30, 4 - Saccharomyces
cerevisiae D 43, 5 - Saccharomyces cerevisiae ,,malt whiskey’’, oraz hybrydy: S2 i
S3(1x2), R1(1x3), P1(1x4), 5.1(1x5). DroŜdŜe oznaczone symbolami: 1, 2, oraz
hybrydy wykazywały zdolność do produkcji enzymów amylolitycznych [KAWA-RYGIELSKA
2004].
Jako kryterium oceny aktywności fermentacyjnej przyjęto dynamikę fermentacji
wyraŜoną ilością wydzielonego CO2 w czasie trwania procesu. Ilość wydzielonego CO2
oznaczono wagowo. Próby waŜono do momentu, w którym róŜnica pomiędzy dwoma
kolejnymi pomiarami była mniejsza niŜ 0,1 g. Moment ten traktowano jako zakończenie
procesu fermentacji. Wynik wyraŜono w % ilości wydzielonego CO2 w czasie, w
stosunku do całkowitej ilości wydzielonego gazu. Po zakończeniu procesu fermentacji
próby poddano dwukrotnej destylacji i oznaczono zawartość etanolu metodą
piknometryczną. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono wydajność praktyczną
procesu fermentacji w stosunku do teoretycznej. Ponadto oznaczono pH płynów
pofermentacyjnych oraz mikroskopowo stan fizjologiczny komórek droŜdŜy po
fermentacji wyraŜony jako % udziału komórek pączkujących i barwiących się błękitem
metylenowym.
Wyniki i dyskusja
Istotnym mankamentem biokonwersji skrobi na alkohol przez droŜdŜe jest
konieczność wstępnego przygotowania surowca polegająca na kleikowaniu, upłynnianiu, a następnie scukrzaniu skrobi przy uŜyciu enzymów amylolitycznych [SOLAREK
2001; SŁOMIŃSKA i in. 2003; KAPELA, SOLAREK 2004]. Od wstępnych zabiegów
technologicznych zaleŜy kinetyka fermentacji oraz jej końcowe efekty [RZEPKA i in.
1999]. Najbardziej energochłonne są dwa pierwsze etapy (kleikowanie i upłynnianie) ze
względu na konieczność stosowania wysokich temperatur w dość długim czasie. Silne i
długotrwałe ogrzewanie surowców roślinnych zawierających białko i węglowodany
prowadzi z reguły do obniŜenia ich wartości ze względu na powstające produkty reakcji
Maillarda, oporne na działanie enzymów amylolitycznych. W wysokiej temperaturze
następuje takŜe karmelizacja cukrów, które nie podlegają procesowi fermentacji, a ich
obecność jest niekorzystna dla komórek droŜdŜowych. Wysoka nieekonomiczność i
straty jakości surowca wymuszają konieczność poszukiwania rozwiązań skracających
czas przygotowania surowca skrobiowego [KARIMI i in. 2006; OHGREN i in. 2006, 2007].
Zastosowanie droŜdŜy o uzdolnieniach amylolitycznych pozwala na pominięcie etapu
scukrzania oraz skrócenie czasu zacierania, a takŜe obniŜenie kosztów produkcji
etanolu. Pierwsza faza procesu zacierania jest szczególnie waŜnym etapem, poniewaŜ
zachodzą w niej istotne zmiany w składzie węglowodanów, decydujące o przebiegu
i wydajności procesu fermentacji alkoholowej oraz czasie jej trwania [KŁOSOWSKI i in.
2001]. W literaturze fachowej wiele uwagi poświęca się równieŜ dynamice fermentacji
zacierów gorzelniczych. DuŜa szybkość odfermentowania to jeden z warunków
efektywności procesu, gwarantujący duŜą przepustowość gorzelni [KRISHNAN i in. 2000].
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH ...
391
W badaniach własnych przebieg oraz efekty końcowe fermentacji zacieru
ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem etapu scukrzania były uzaleŜnione od
zastosowanego szczepu droŜdŜy. Czas fermentacji wynosił od 96 do 120 godzin.
Dynamikę fermentacji wyraŜoną ilością wydzielonego CO2 w czasie procesu z udziałem
badanych droŜdŜy przedstawiono na rysunku 1. W pierwszej dobie procesu droŜdŜe wykazywały niską aktywność fermentacyjną. W tym czasie w badanych próbach
wydzieliło się od 8 do 38% całkowitej ilości CO2. Wraz z upływem czasu fermentacji
obserwowano wzrost ilości wydzielonego gazu, przy czym jego ilość była znacznie
zróŜnicowana i uzaleŜniona od zastosowanego szczepu droŜdŜy. Najlepszą dynamikę
procesu obserwowano w próbach fermentowanych z udziałem hybrydów S2, R1 oraz
droŜdŜy Saccharomyces diastaticus (2).
Rys. 1.Dynamika wydzielania CO2 podczas fermentacji zacierów ziemniaczanych
Fig. 1.
Dynamics of CO2 release during potato mashes fermentation
Jednym z najwaŜniejszych parametrów technologicznych gorzelni jest wydajność
praktyczna etanolu. DąŜy się do jak najlepszego wykorzystania surowca dzięki
optymalizacji warunków prowadzenia procesu, tj. stosowaniu optymalnych stęŜeń
surowca, temperatur fermentacji czy najlepszego szczepu [ZBIEĆ 2002; WÓJCIK,
CZUPRYŃSKI 2003; ALDIGUIER i in. 2004].
Wydajność praktyczną etanolu w stosunku do wydajności teoretycznej po
zakończonej fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem droŜdŜy gorzelniczych w
tym równieŜ amylolitycznych przedstawiono na rysunku 2. Wydajność fermentacji była
bardzo zróŜnicowana kształtowała się na poziomie od 15 do 82%. Najlepszą wydajność
etanolu obserwowano w próbach fermentowanych z udziałem hybrydów S2, R1, 5.1
oraz droŜdŜy Saccharomyces diastaticus (2).
Kolejnym ocenianym w pracy parametrem było pH płynów pofermentacyjnych.
Wyjściowa wartość pH zacieru została ustalona dla wszystkich badanych prób na
poziomie 5,0. Po zakończonej fermentacji obserwowano spadek wartości omawianego
parametru. Wartość końcowa pH płynów pofermentacyjnych mieściła się w zakresie od
3,6 do 4,6 (rys. 3).
392
J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska
Rys. 2.Wydajność etanolu po fermentacji zacierów ziemniaczanych
Fig. 2.
Ethanol yield after potato mashes fermentation
Rys. 3.Wartość pH po zakończonej fermentacji
Fig. 3.
The pH value after fermentation
Podstawowym parametrem charakteryzującym kondycję droŜdŜy po zakończonej
fermentacji jest ich stan fizjologiczny wyraŜony procentowym udziałem komórek
pączkujących i nieaktywnych, co zobrazowano na rysunku 4. Po zakończonej
fermentacji zacieru ziemniaczanego droŜdŜe charakteryzowały się wysokim udziałem
komórek nieaktywnych, ich udział kształtował się na poziomie od 15 do 50%.
NajwyŜszy udział komórek nieaktywnych wykazywały droŜdŜe fermentujące zaciery
ziemniaczane z najwyŜszą wydajnością. Wyjątek stanowił hybryd S2 charakteryzujący
się niskim udziałem komórek nieaktywnych. Udział komórek pączkujących mieścił się
w zakresie od 10% do 34%.
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH ...
393
Rys. 4.Udział komórek droŜdŜy pączkujących i nieaktywnych po fermentacji zacierów
ziemniaczanych
Fig. 4.
The number of budding and inactive yeast cells after potato mashes fermentation
Zastosowanie droŜdŜy o uzdolnieniach amylolitycznych pozwoliło na wyeliminowanie etapu scukrzania oraz na skrócenie czasu zacierania oraz uzyskanie dobrej
wydajności procesu.
Wnioski
1.
Czas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem badanych droŜdŜy wynosił
od 96 do 120 godzin.
2.
Najlepszą dynamikę i wydajność etanolu obserwowano w podczas fermentacji
zacierów ziemniaczanych z udziałem droŜdŜy Saccharomyces diastaticus, S2 i
R1.
3.
Po zakończonej fermentacji najlepszy stan fizjologiczny wykazywał szczep
hybrydowy S2, charakteryzujący się najniŜszym udziałem komórek nieaktywnych.
Literatura
ALDIGUIER A.S., ALFENORE S., CAMELEYRE X., GOMA G., URIBELARREA J.L., GUILLOUET
E.S., MOLINA-JOUVE C. 2004. Synergistic temperature and ethanol effect on Saccharo-
myces cerevisiae dynamic behaviour in ethanol bio-fuel production. Bioprocess Biosyst.
Eng. 26: 217-222.
ALPER H., MOXLEY J., NEVOIGT E., FINK G. R., STEPHANOPOULOS G. 2006. Engineering
yeast transcription machinery for improved ethanol tolerance and production. Science
Magazine 5805(314): 1565-1568.
JAROSZ K. 1995. Perspektywa produkcji w Polsce bioetanolu jako składnika paliw
silnikowych. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 9: 11.
KAPELA T., SOLAREK L. 2004. Enzymy Novozymes dla gorzelnictwa - nowoczesne pre-
394
J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska
paraty scukrzające z grupy SAN® oraz enzymy pomocnicze. Przem. Ferm. i Owoc.Warzyw. 5: 26-28.
KARIMI K., EMTIAZI G., TAHERZADEH M.J. 2006. Ethanol production from dilute-acid
pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor
indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial
Technology, 40: 138-144.
KAWA-RYGIELSKA J. 2004. Obtaining hybrids of distillery yeasts characterized by ability
of ferment starch. Electronic J. of Polish Agricultural Universities, Biotechnology 2(7).
KŁOSOWSKI G. 2003. Technologie przyjazne środowisku. IX seminarium gorzelnicze
SPG IBPRS, 12 VI, Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 7-8: 66.
KŁOSOWSKI G., CZUPRYŃSKI B., SIELIWANOWICZ B., KOTARSKA K., WOLSKA M. 2001. Monitoring of sugar substrates utilization by D2 and As4 yeast and kinetics of by-products
formation during alcoholic fementation of rye and corn mashes. Polish J. of Food and
Nutrition Sci. 10/51(2): 19-24.
KRISHNAN M.S., TAYLOR F., DAVISON B.H., NGHIEM N.P. 2000. Economic analysis of fuel
ethanol production from corn starch using fluidized-bed bioreactors. Bioresource
Technology 75: 99-105.
KUPCZYK A., EKIELSKI A. 2002. Bioetanol - szansa dla polskiego rolnictwa. Wieś Jutra
5(46): 13-15.
NOWACKI W. 2006. Ziemniaki - alternatywnym surowcem do produkcji bioetanolu.
Chemia Przemysłowa BMP 4: 23-26.
OHGREN K., BURA R., LESNICKI G., SADDLER J., ZACCHI G. 2007. A comparison between
simultaneous saccharification and fermentation and separate hydrolysis and fermentation using steam-pretreated corn stover. Process Biochemistry 42: 834-839.
OHGREN K., RUDOLF A., GALBE M., ZACCHI G. 2006. Fuel ethanol production from steampretreated corn stover using SSF at higher dry matter content. Biomass and Bioenergy
30: 863-869.
PRASAD S., SINGH A., JOSHI H.C. 2007. Ethanol as an alternative fuel from agricultural,
industrial and urban residues. Resources, Conservation and Recycling 1(50): 1-39.
RZEPKA E., BADOCHA E., STECKA K. 1999. Wybrane aspekty kinetyki fermentacji alkoholowej zacierów sporządzonych metodą bezciśnieniową. Prace Instyt. i Labo. Bad.
Przem. SpoŜ. 54: 33-49.
SŁOMIŃSKA L., WIŚNIEWSKA D., GRZEŚKOWIAK A. 2003. Liquefaction of starch by thermostable alpha-amylase. Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria 2(2):
17-26.
SOLAREK L. 2001. Kleikowanie i upłynnianie surowców skrobiowych niesłodowanych z
zastosowaniem enzymów mikrobiologicznych Novozymes. Przem. Ferm. i Owoc.Warzyw. 12: 10.
STECKA K., MILEWSKI J.A., MIECZNIKOWSKI A.H. 1996. Energooszczędna technologia
produkcji spirytusu surowego. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 10: 15-19.
STECKA K., MILEWSKI J., GRZYBOWSKI R., MIECZNIKOWSKI A., ŁABĘTOWICZ J. 1998.
Technologia produkcji spirytusu z surowców skrobiowych przyjazna środowisku,
energooszczędna i bezodpadowa. Przem. SpoŜ. 10: 39-42.
WÓJCIK M., CZUPRYŃSKI B. 2003. Sprawność energetyczna produkcji bioetanolu.
Aktualne Problemy Gorzelnictwa Rolniczego: 25-29.
ZBIEĆ M.A. 2002. Rozwój produkcji biopaliw szansą dla gorzelni rolniczych. Przem.
Ferm. i Owoc.-Warzyw. 5: 38.
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH ...
Słowa kluczowe:
395
zacier ziemniaczany, fermentacja, etanol, droŜdŜe amylolityczne
Streszczenie
Celem pracy była ocena przebiegu i efektów końcowych fermentacji etanolowej
zacieru ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem etapu scukrzania przez droŜdŜe
amylolityczne. Czas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem badanych
droŜdŜy wynosił od 96 do 120 godz. Najlepszą dynamikę i wydajność etanolu
obserwowano podczas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem droŜdŜy
Saccharomyces diastaticus, S2 i R1. Po zakończonej fermentacji najlepszy stan
fizjologiczny wykazywał szczep hybrydowy S2, charakteryzujący się najniŜszym
udziałem komórek nieaktywnych.
ETHANOL FERMENTATION OF POTATO MASHES
USING AMYLOLYTIC YEAST
Joanna Kawa-Rygielska, Joanna Chmielewska, Barbara Foszczyńska
Department of Food Storage and Technology,
University of Environmental and Life Sciences, Wrocław
Key words:
potato mash, fermentation, ethanol, amylolytic yeast
Summary
The aim of the work was the determination of the course and final effect of
ethanol fermentation of potato mashes using amylolytic yeast. The material for
investigation was potato mashes prepared in a distillery without saccharification proces.
The time of potato mashes fermentation was between 96-140 hours. The best dynamics
and yield of ethanol were observed during the fermentation test conducted with the use
of yeasts: Saccharomyces diastaticus, S2 and R1. The physiological condition of yeast
after fermentation was the best for hybrid S2, in this case the lowest amount of inactive
cells was observed.
Dr inŜ. Joanna Kawa-Rygielska
Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa
Uniwersytet Przyrodniczy
ul. CK. Norwida 25
50-375 WROCŁAW
e-mail: [email protected]