Λυοφιλιωμένη καλλιέργεια kefir στη ζύμωση τυρογάλακτος

Abstract

The increase in the consumption of dairy products that occurred during the last 50 years has caused a great increase in the production of whey. The quantities that are produced world wide annually are enormous, the largest percent of which remain unused. The current technologies for the isolation of whey proteins leave whey lactose unexploited. Lactose is mainly responsible of the high Biologically Oxygen Demand (B.O.D.) that whey possesses. Whey is disposed in rivers and lakes, causing serious pollution, acting as an ideal substrate for the growth of microorganisms. The gradually increasing pressure from ecological organizations, based on the developed environmental consciousness of the new generations along with the demand for exploitation of every natural resource, stress the need for a solution from the scientific society in collaboration with the dairy industry. A great number of studies have been published relevant to the development of new technologies for the exploitation of whey for ethanol or lactic acid production.Therefore, the aim of this study was to investigate whey exploitation using freeze-dried kefir culture. This microbial culture originates from the mountain Caucasus and is used for the preparation of the homonymous alcoholic drink, very famous among the countries of Eastern Europe. Kefir microflora is a mixture of yeasts and lactic acid bacteria. All these microorganisms are embedded into a matrix consisting of polysaccharides. The composition of kefir grains varies according to their geographical origin. Kefir yeast was used in a previous study in order to utilize whey’s lactose with promising results (Athanasiadis, 2003). Freeze-drying (lyophilization) is a preservation method for foods and to a greater extent for microorganisms. This method is used mainly on industrial scale due to his numerous advantages compared to other preservation methods. The presence of cryoprotective agents during freeze-drying is a critical factor for the viability and operational stability of microorganisms. Both these advantages are prerequisites for successful industrial applications. Freeze-drying is estimated as a valuable method for products of high added value. However, this subject needs much further research in order to prove its suitability for industrial applications.In the frame of this dissertation experiments took place. During the first stage, we studied the use of freeze-dried kefir yeast in fermentations of various synthetic media containing sugars, such as glucose, fructose and lactose. Freeze-dried kefir yeast were used both as free and immobilized on delignified cellulosic materials (DCM). No protecting medium was used for the freeze-drying of kefir yeast free cells and those immobilized on DCM. The system of the immobilized biocatalyst performed well in the fermentations, exhibiting high values of yield, bioconversion and ethanol productivity. The second stage of experiments included the study of whey fermentation by lyophilized free kefir cells, and freeze-dried immobilized kefir cells on the aforementioned support of immobilization. The results lead to the conclusion that DCM gives best results, since short fermentation times are achieved, and high ethanol yield. In addition, immobilized kefir yeast on DCM appeared to be the suitable biocatalyst for low temperature whey fermentation, resulting in o product of an improved aroma. Aroma of final fermentation products was investigated with GC-MS analysis and it was shown that esters were mainly responsible for the improved aroma of final product. The results of whey fermentations by the use of freeze dried kefir yeast were quite similar, when we added 3% black raisin extract. This extract accelerated very much whey fermentation, improved the kinetic parameters and the aroma of the product.The technology that is suggested concerns (1) the exploitation of whey with the aim of fuel and potable ethanol production and (2) the development of a low ethanol alcoholic drink, based on whey. Use of freeze-drying as a preservation method overcomes the significant disadvantages of using free cells in industrial scale.

Η μεγάλη αύξηση στην κατανάλωση τυροκομικών προϊόντων που συντελέσθηκε τα τελευταία 50 χρόνια προκάλεσε μεγάλη αύξηση στην παραγωγή τυρογάλακτος. Οι ποσότητες που παράγονται παγκοσμίως είναι τεράστιες και στο μεγαλύτερό τους ποσοστό παραμένουν αδιάθετες. Οι τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί μέχρι πρόσφατα για την παραλαβή των πρωτεϊνών του τυρογάλακτος αφήνουν τη λακτόζη ανεκμετάλλευτη, η οποία και ενοχοποιείται κυρίως για το υψηλό Βιολογικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (B.O.D.) που συνοδεύει αυτό το απόβλητο. Έτσι, το τυρόγαλα μεταφέρεται σε υδάτινους αποδέκτες, προκαλώντας σημαντική μόλυνση, καθώς συνιστά άριστο υπόστρωμα για την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Οι ολοένα και αυξανόμενες πιέσεις από τις οικολογικές οργανώσεις, η ανεπτυγμένη περιβαλλοντική συνείδηση των νέων γενιών και η ανάγκη για αξιοποίηση όλων των φυσικών πόρων της γης καθιστά επιτακτική την ανάγκη εξεύρεσης λύσης από την επιστημονική κοινότητα σε συνεργασία με τις βιομηχανίες γάλακτος. Αρκετές εργασίες έχουν δημοσιευθεί σχετικά με την αξιοποίηση της λακτόζης του τυρογάλακτος και αφορούν στην παραγωγή αιθανόλης, γαλακτικού οξέος καθώς και άλλως προϊόντων ζύμωσης.. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας ανάπτυξης τεχνολογίας αξιοποίησης του τυρογάλακτος με τη χρήση λυοφιλιωμένης καλλιέργειας kefir. Η καλλιέργεια αυτή προέρχεται από τον Καύκασο και χρησιμοποιείται για την παραγωγή του ομώνυμου αλκοολούχου ποτού, το οποίο είναι εξαιρετικά διαδεδομένο στις χώρες της Ανατολικής Ευρώπης. Τα κύτταρα kefir είναι μείγμα ζυμομυκήτων και γαλακτικών βακτηρίων που βρίσκονται εγκλωβισμένα σε ένα πλέγμα πολυσακχαριτών. Η σύσταση των κόκκων του kefir ποικίλει με τη γεωγραφική τους προέλευση. Η ζύμη kefir έχει χρησιμοποιηθεί σε προηγούμενη έρευνα για την αξιοποίηση της λακτόζης του τυρογάλακτος με ενθαρρυντικά αποτελέσματα (Αθανασιάδης, 2003). Η λυοφιλίωση είναι μια μέθοδος συντήρησης τροφίμων και κυρίως μικροοργανισμών. Χρησιμοποιείται σε βιομηχανική κλίμακα λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που έχει σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους συντήρησης. Η παρουσία κρυοπροστατευτικών μέσων είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για τη διατήρηση της βιωσιμότητας και της λειτουργικής σταθερότητας των μικροοργανισμών κατά την λυοφιλίωση. Και τα δυο αυτά αποτελούν προϋποθέσεις για επιτυχείς βιομηχανικές εφαρμογές. Στα πλαίσια της διατριβής εξετάστηκε σε πρώτη φάση η χρήση των λυοφιλιωμένων κυττάρων kefir στις ζυμώσεις διαφόρων συνθετικών θρεπτικών μέσων σακχάρων, όπως η γλυκόζη, η φρουκτόζη και η λακτόζη. Χρησιμοποιήθηκαν λυοφιλιωμένα ελεύθερα και ακινητοποιημένα λυοφιλιωμένα κύτταρα kefir σε απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά. Η λυοφιλίωση έγινε χωρίς κρυοπροστατευτικό μέσο. Το σύστημα του λυοφιλιωμένου ακινητοποιημένου βιοκαταλύτη παρουσίασε ικανοποιητικά αποτελέσματα με υψηλές τιμές σε απόδοση, μετατροπή και παραγωγικότητα σε αιθανόλη. Σε δεύτερη φάση εξετάστηκε η ζύμωση τυρογάλακτος με λυοφιλιωμένα ελεύθερα κύτταρα kefir και λυοφιλιωμένα ακινητοποιημένα κύτταρα kefir σε απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά. Καλύτερος φορέας φάνηκε να είναι τα απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά, καθώς οι χρόνοι ζύμωσης ήταν ιδιαίτερα χαμηλοί και η απόδοση σε αιθανόλη υψηλοί. Επιτεύχθηκαν επίσης ζυμώσεις τυρογάλακτος σε χαμηλές θερμοκρασίες με σκοπό τη βελτίωση του αρώματος του προϊόντος. Η βελτίωση του αρώματος όπως αποδείχθηκε από την εξέταση GC-MS οφείλεται κυρίως στους εστέρες του τελικού προϊόντος των ζυμώσεων. Εξίσου καλά ήταν τα αποτελέσματα ζυμώσεων τυρογάλακτος με λυοφιλιωμένο kefir, όταν στο τυρόγαλα γινόταν προσθήκη 3% εκχυλίσματος μαύρης σταφίδας. Στην περίπτωση αυτή είχαμε σημαντική επιτάχυνση της ζύμωσης, βελτίωση των κινητικών παραμέτρων αυτής και βελτίωση του αρώματός του.Η τεχνολογία που προτείνεται αφορά στην αξιοποίηση του τυρογάλακτος με σκοπό την παραγωγή πόσιμου και ενεργειακού οινοπνεύματος καθώς και αλκοολούχου ποτού με βάση το τυρόγαλα σε βιομηχανική κλίμακα. Η χρήση της λυοφιλίωσης ως μεθόδου συντήρησης βοηθά στο να ξεπεραστούν ορισμένα από τα μειονεκτήματα της χρήσης υγρών κυττάρων kefir.