Разработка способа получения нового штамма дрожжей для спиртовой промышленности

Введение: Спиртовая промышленность относится к биотехнологической отрасли, основанной на применении дрожжей-сахаромицетов, основной целью которых является превращение субстрата питательной среды в спирт. Одним из путей интенсификации таких этапов технологии, как дрожжегенерирование и брожение, является поиск новых перспективных штаммов дрожжей, адаптированных к местному сырью.

Цель: Разработать способ получения нового штамма спиртовых дрожжей для сбраживания зерна тритикале, обладающего высокой бродильной активностью и термотолерантными свойствами.

Материалы и методы: Объектом исследования являются производственные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, отобранные со стационарной фазы роста из аппаратов чистых культур на спиртовом заводе ЗАО «Башспирт». Для проведения исследования применялась ультразвуковая установка Nordberg NU 20 с частотой ультразвуковых волн 22 кГц. Для приготовления сусла применялась тритикале озимая сорта Башкирская короткостебельная. Изучен ее физико-химический состав и приготовлено сусло по механико-ферментативной схеме на миниспиртовой установке в учебно-производственной лаборатории ФГБОУ ВО Башкирского ГАУ. Для выведения и размножения чистой культуры применялся комбинированный метод Пастера и Коха, который предусматривает многоступенчатое разведение культуры и посев на твердые питательные среды. Полученные штаммы дрожжей прошли идентификацию и патентное депонирование в ВКПМ Биоресурсного Центра НИЦ «Курчатовский институт».

Результаты: На основании проведенных исследований разработан способ получения нового штамма спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae УЗ-55 с применением ультразвука и экстракта дрожжей.

Выводы: Выведенный штамм позволяет повысить выход спирта на 2,05 % и снизить количество примесей в зрелой бражке в 1,19 раз по сравнению с контролем при повышенных температурах брожения 33–37 °С.

1. Бодрова, О. Ю. (2006). Интенсификация процессов дрожжегенерирования и брожения в технологии спирта с использованием ультразвуковой обработки засевных дрожжей [Кандидатская диссертация]. Московский государственный университет пищевых производств.

2. Бурнышева, Т. О. (2022). Обзор российских исследований применения ультразвука в пищевой индустрии. Реалии и современные возможности науки: сборник научных трудов по материалам III Международной научно-практической конференции (с. 30-33). Москва: Научно-издательский центр Толмачево.

3. Рынк, В. В., Кузчуткумов, М. В., Громов, Е. С., & Осинцев, А. М. (2023). Влияние переменного магнитного поля частотой 90 кгц на активность пивных дрожжей. Холодильная техника и биотехнологии: Сборник тезисов IV национальной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (с. 152-156). Кемерово: Кемеровский государственный университет.

4. Давидович, Е. А. (2006). Комплексная обработка зернового сырья в спиртовой промышленности. Журнал пищевая и перерабатывающая промышленность, (4), 51-63.

5. Давыденко, С. Г., Устинова, А. С., Меледина, Т. В., & Баркова, Н. В. (2012). Скрининг штаммов спиртовых дрожжей для сбраживания высококонцентрированного сусла. Журнал процессы и аппараты пищевых производств, 2, 14-18.

6. Гречишникова, А. С. (2015). Влияние применения ультразвуковых технологий на процесс управления выращивания хлебопекарных дрожжей. Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО (с. 119-121). Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.

7. Кузнецова, Т. В., Шорманова, М. М., Айтжанова, А. А., Елубаева, М. Е., & Саубенова, М. Г. (2016). Исследование терморезистентности спиртовых дрожжей. Приволжский научный вестник, 11(63), 7-10.

8. Кулназаров, Б. А., Кузнецова, Т. В., & Саубенова, М. Г. (2015). Селекция спиртовых дрожжей, обладающих осмофильными свойствами. Actualscience, 2(2), 21-22.

9. Оверченко, М. Б., Игнатова, Н. И., Серба, Е. М., Римарева, Л. В., & Белокопытова, Е. Н. (2017). Спиртовые расы дрожжей Saccharomyces cerevisiae с термотолерантными и осмофильными свойствами для интенсификации процесса брожения зернового сусла. Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков: сборник научных трудов (с. 35-43). Москва: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи.

10. Разинькова, В. Г., Гордеева, А. Б., Борисенко, А. А., & Борисенко, А. А. (2021). Зарубежный опыт и перспективы использования ультразвуковой обработки в пищевой промышленности. Инновационное развитие аграрно-пищевых технологий: Материалы международной научно-практической конференции (с. 228-233). Волгоград: СФЕРА.

11. Римарева, Л. В. (2010). Теоретические и практические основы биотехнологии дрожжей. Москва: ДеЛи принт.

12. Сагингалиева, А. Г. (2023). Перспективы развития ультразвуковых технологий для интенсификации процессов. Инновационное техническое обеспечение агропромышленного комплекса. Материалы научно-технической конференции с международным участием имени А.Ф. Ульянова (с. 207-214). Саратов: Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова.

13. Стецов, Я. Г. (2023). Исследование влияния ультразвуковой обработки на динамику роста биомассы дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Наука и молодежь: материалы XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (с. 292-294). Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова.

14. Стремин, А. А., & Федоренко, Б. Н. (2023). Использование ультразвука для ускорения экстракции в пищевой промышленности. Журнал вестник науки, 5(62), 725-730.

15. Цед, Е. А. (2021). Исследование влияния метаболических добавок на жизнедеятельность дрожжей в условиях ферментации высококонцентрированного спиртового сусла. Вестник Могилевского государственного университета продовольствия, 1(30), 51-62.

16. Aguilar, К. (2022). Evaluating ultrasound pre-treatment as a tool for improving the process of a fermented beverage made from pineapple by-products. Food Technol, 25. https://doi.org/10.1590/1981-6723.11621

17. Ashokkumar, M., Sunartio, D., Kentish, S., Mawson, R., Simons, L., Vilkhu, K. & Versteeg, C. (2008). Modification of food ingredients by ultrasound to improve functionality: A preliminary study on a model system. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 9(2), 155-160. http://doi.org/10.1016/j.ifset.2007.05.005

18. Bertolo, А.Р., Biz, А.Р. & Kempka, А.Р. (2019) Yeast (Saccharomyces cerevisiae): Evaluation of cellular disruption processes, chemical composition, functional properties and digestibility. Journal Food Science and Technology, 56(8), 3697-3706. http://doi.org/10.1007/s13197-019-03833-3

19. Berzosa, A., Delso, C., Sanz, J., Sánchez-Gimeno, C., & Raso J. (2023). Sequential extraction of compounds of interest from yeast biomass assisted by pulsed electric fields. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 11.http://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1197710

20. Choudhary, J. С., Surender S., & Nain, L. (2016). Thermotolerant fermenting yeasts for simultaneous saccharification fermentation of lignocellulosic biomass. Electronic Journal of Biotechnology, 19(3), 82-92. http://doi.org/10.1016/j.ejbt.2016.02.007

21. Eom, S.J. Park, J.T., Kang, M.C., Lee, N.H., & Kyung, M.U. (2022). Of ultrasound treatment to extract mannan polysaccharide from Saccharomyces cerevisiae. Journal of Food Process Engineering, 5, 9. https://doi.org/10.1111/jfpe.14105

22. Ferreira, R. M, Mota, M. J., & Lopes, R. P. (2019). Adaptation of Saccharomyces cerevisiae to high pressure (15, 25 and 35 MPa) to enhance the production of bioethanol. Food Research International, 115, 352-359.

23. García Martín, J.F., Guillemet, L., Feng, C. & Sun, D.W. (2013). Cell viability and proteins release during ultrasound-assisted yeast lysis of light lees in model wine. Food Chemistry, 141(2), 934-9.

24. González-Centeno, R. (2015). Effect of power ultrasound application on aqueous extraction of phenolic compounds and antioxidant capacity from grape pomace (Vitis vinifera L.): Experimental kinetics and modeling. Ultrasonics Sonochemistry, 22, 506-514. http://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.05.027

25. John, I., Pola, J. & Appusamy, A. (2019). Optimization of ultrasonic assisted saccharification of sweet lime peel for bioethanol production using box–behnken method. Waste and Biomass Valorization, 10(2), 441-453. http://doi.org/10.1007/s12649-017-0072-1

26. Liman Gao, K.X., Hassan, J.U., Zhao, Z., Li, C., Huo, Y.X., & Liu, G. (2018). Improving the thermo-tolerance of yeast base on the antioxidant defense system. Chemical Engineering Science, 175, 335-342. http://doi.org10.1016/j.ces.2017.10.016

27. Maicas, S. (2020). The role of yeasts in fermentation processes. Microorganisms, 8. http://doi.org/10.3390/microorganisms8081142

28. Osintsev, A.M., Vasilchenko, I.L., Rodrigues, D.B., Stauffer, P.R., Braginsky, V.I., Rynk, V.V., Gromov, E.S., Prosekov, A.Yu., Kaprin, A.D. & Kostin A.A. (2021). Characterization of ferromagnetic composite implants for tumor bed hyperthermia. IEEE Transactions on Magnetics, 57, 1-8. http://doi.org/10.1109/TMAG.2021.3097915

29. Paulino de Souza J. (2018). Improvement of Brazilian bioethanol production–Challenges and perspectives on the identification and genetic modification of new strains of Saccharomyces cerevisias yeasts isolated during the ethanol process. Fungal Biology, 122(6). http://doi.org/10.1016/j.funbio.2017.12.006

30. Permyakova, L., Sergeevа, I., & Dolgolyuk, I (2023). Combined effect of ultrasound treatment and a mix of krebs cycle acids on the metabolic processes in saccharomyces cerevisiae. Fermentation, 9(2), 132. https://doi.org/10.3390

31. Prado, C.D., Mandrujano, G.P.L., & Souza, J.P. (2020). Physiological characterization of a new thermotolerant yeast strain isolated during Brazilian ethanol production, and its application in high-temperature fermentation. Biotechnological Biofuels, 178. https://doi.org/10.1186/s13068-020-01817-6

32. Qian J., Yan G., Huo S., Dai C., Ma H. & Kan J. (2021). Effects of pulsed magnetic field on microbial and enzymic inactivation and quality attributes of orange juice. Journal of Food Processing and Preservation, 45, 15-33. http://doi.org/10.1111/jfpp.15533

33. Soro, A. B., Oliveira, M., O’Donnell, C.P., & Tiwari B.K. (2021). Ultrasound assisted modulation of yeast growth and inactivation kinetics. Ultrasonics Sonochemistry, 80. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105819

34. Talal, F. Y. (2011). Mechanical treatment of microorganisms using ultrasound, shock and shear technology [Unpublished doctoral dissertation]. University оf Southern Queensland.

35. Walker, G. M., & Walker Roy, S.K. (2018). Chapter three - Enhancing yeast alcoholic fermentations. Advances in Applied Microbiology, 10, 87-129. http://doi.org/10.1016/bs.aambs.2018.05.003

36. Walker, G.M. & Stewart, G.G. (2016). Saccharomyces cerevisiae in the Production of Fermented beverages. Beverages., 2(4). https://doi.org/10.3390/beverages2040030

37. Wang, S., Thomas, K. C., Ingledew, W. M., Sosulski, K., & Sosulski, F. W. (1997). Rye and triticale as feedstock for fuel ethanol production. Cereal Chemistry, 5, 621-625. http://doi.org/10.1007/BF02920412