Παραγωγή προϊόντων αλκοολικής ζύμωσης με χρήση ακινητοποιημένων ζυμομυκήτων

Abstract

In this work yeast cells were entrapped in single or double layer calcium alginate beads coated with chitosan. These beads were used for the alcoholic fermentation of carbohydrates. In the first part of this work it was attempted to define the optimal conditions for the construction of the double layer alginate - chitosan beads. Several construction parameters of these beads were studied. These parameters included the composition of the inner and the outer layer, the concentration of chitosan in the coating solution, the period of time that these beads should be left in the coating solution and the initial cell loading in the inner layer of the beads. In addition the procedure for the construction of the beads was taken in consideration. The influence of the above parameters on the behaviour of the beads and the behaviour of the entrapped yeast cells during fermentations was studied. As a result of the coating the calcium alginate beads with chitosan was the increase of their mechanical and chemical stability. The coating of beads with chitosan had no effect on the behaviour of the entrapped cells. The procedure for the construction of the beads followed a certain procedure: Construction of the double layer alginate beads was followed by the coating of beads with chitosan. The presence of the outer layer and the polyelectrolyte complex between the alginate and the chitosan hindered the cell leakage from the beads into the medium in a high level. Both the concentration of the alginate in the outer layer and the coating with chitosan did not have any effect on the kinetics of the fermentations and the composition of the products. Increasing the concentration of the coating solutions up to 10 g chitosan/l resulted in the improvement of the behaviour of the beads. The period of time needed for the coating of the beads in the chitosan solution was approximately the same as the period of time needed for the reaction between most of the alginate of the beads with the chitosan. The staying of the beads in the chitosan solution for a greater period of time didn’t improve the behaviour of the beads, while it had a negative effect on the behaviour of the entrapped cells. The initial cell loading found to be an important parameter for the construction of the beads. Lower cell loading resulted in the increase of cell leakage while higher cell loading increased the fermentation rate but reduced the mechanical stability of the beads. In the second part of this work yeast cells entrapped in the double layer alginate - chitosan beads were used for the continuous production of wine. Also “free” yeast cells from the same strain and “free” yeast cells from the must were used under similar conditions for the production of wine by the procedure of batch fermentation. The maximum productivity of wine and ethanol achieved during the continuous process was 3 - 4 times higher than the productivity achieved during the batch processes. The wines produced by the immobilized and “free” yeast cells from the same strain were similar in the final composition with the only difference that the concentration of the higher alcohols was lower for the wines produced by the immobilized yeast cells.

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκαν αλκοολικές ζυμώσεις με ζυμομύκητες ακινητοποιημένους σε σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου μονής και διπλής στιβάδας επικαλυμμένα με χιτοζάνη. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αυτής, έγιναν πειράματα με σκοπό τον καθορισμό των ευνοϊκότερων συνθηκών κατασκευής των σφαιριδίων διπλής στιβάδας αλγινικού - χιτοζάνης. Οι κυριότερες πειραματικές παράμετροι κατασκευής των σφαιριδίων που μελετήθηκαν ήταν η σύσταση της εσωτερικής και της εξωτερικής στιβάδας, η συγκέντρωση της χιτοζάνης στο διάλυμα επικάλυψης, ο απαραίτητος χρόνος παραμονής στο διάλυμα αυτό και η αρχική συγκέντρωση των ζυμομυκήτων στην εσωτερική στοιβάδα των σφαιριδίων, επιπλέον μελετήθηκε και η διαδικασία κατασκευής των σφαιριδίων αυτών. Κατά την πραγματοποίηση αλκοολικών ζυμώσεων με τους ακινητοποιημένους ζυμομύκητες στα σφαιρίδια αυτά, μελετήθηκε η επίδραση των παραπάνω παραμέτρων τόσο στη συμπεριφορά των σφαιρίδιων, όσο και στη συμπεριφορά των ζυμομυκήτων. Η επικάλυψη των σφαιριδίων με χιτοζάνη αύξησε τη μηχανική αντοχή και τη χημική σταθερότητα των σφαιριδίων, ενώ δεν έδειξε να επηρεάζει τη ζυμωτική ικανότητα των μυκήτων. Η διαδικασία κατασκευής των σφαιριδίων διπλής στιβάδας αλγινικού - χιτοζάνης που ακολουθήθηκε, ήταν αρχικά η κατασκευή των σφαιριδίων αλγινικού ασβεστίου διπλής στιβάδας και μετέπειτα η προσθήκη τους στο διάλυμα της χιτοζάνης. Η παρουσία της εξωτερικής στιβάδας σε συνδυασμό με τη δημιουργία του πολυηλεκτρολυτικού συμπλέγματος του αλγινικού με τη χιτοζάνη συνέβαλαν σε μεγάλο ποσοστό στον περιορισμό του φαινομένου της διαφυγής των κυττάρων από τα σφαιρίδια προς το θρεπτικό υπόστρωμα. Τόσο η συγκέντρωση του αλγινικού στην εξωτερική στιβάδα των σφαιριδίων, όσο και η δημιουργία του συμπλέγματος του αλγινικού με τη χιτοζάνη δεν έδειξαν να επηρεάζουν την κινητική των ζυμώσεων. Η αύξηση της συγκέντρωσης της χιτοζάνης στο διάλυμα επικάλυψης μέχρι 1.0 % (w/v) βελτίωσε σημαντικά τη συμπεριφορά των σφαιριδίων, ενώ η παραμονή των σφαιριδίων στο διάλυμα της χιτοζάνης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από αυτό που χρειάστηκε για να αντιδράσει το αλγινικό με τη χιτοζάνη όχι μόνο δε συνέβαλε θετικά στη συμπεριφορά των σφαιριδίων, αλλά είχε αρνητική επίδραση στη συμπεριφορά των ζυμομυκήτων. Η αρχική συγκέντρωση των ζυμομυκήτων στην εσωτερική στιβάδα των σφαιριδίων βρέθηκε να είναι μια αρκετά σημαντική κατασκευαστική παράμετρος. Η αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης των ζυμομυκήτων είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας των ζυμώσεων και τον περιορισμό του φαινομένου της διαφυγής των κυττάρων από τα σφαιρίδια, αλλά από ένα σημείο και μετά είχε αρνητική επίδραση στη μηχανική αντοχή των σφαιριδίων. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αυτής πραγματοποιήθηκε οινοποίηση από ακινητοποιημένους ζυμομύκητες σε σφαιρίδια διπλής στιβάδας αλγινικού - χιτοζάνης με τη διαδικασία της συνεχούς ζύμωσης. Ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκε οινοποίηση υπό παρόμοιες συνθήκες από «ελεύθερους» ζυμομύκητες του ίδιου στελέχους και «ελεύθερους» ζυμομύκητες του γλεύκους, με τη διαδικασία της ασυνεχούς ζύμωσης. Η σύγκριση των δυο τεχνικών οινοποίησης έδειξε ότι με τη διαδικασία της συνεχούς ζύμωσης από τους ακινητοποιημένους ζυμομύκητες η μέγιστη παραγωγικότητα που επιτυγχάνεται τόσο σε ποσότητα οίνου, όσο και σε ποσότητα αιθανόλης είναι 3 - 4 φορές μεγαλύτερη από τις αντίστοιχες τιμές της παραγωγικότητας που επιτυγχάνονται με τη διαδικασία της ασυνεχούς ζύμωσης, από τους «ελεύθερους» ζυμομύκητες. Η σύσταση του οίνου που παράχθηκε από ζυμομύκητες του ίδιου στελέχους και με τις δυο διαδικασίες, δε διέφερε σημαντικά ως προς τα κύρια χαρακτηριστικά, ενώ η μόνη διαφορά που παρατηρήθηκε είναι ότι η συγκέντρωση των ανώτερων αλκοολών ήταν χαμηλότερη για τον οίνο που προέκυψε από τους ακινητοποιημένους ζυμομύκητες.