Μελέτη αλκοολικής ζύμωσης κατά την αύξηση επιλεγμένων ζυμών σε σακχαρούχα υποστρώματα

Abstract

Η αλκοολική ζύμωση σακχαρούχων υποστρωμάτων με τη χρήση ζυμών, αποτελεί μία από τις πιο παλιές τεχνολογίες, που ακόμη και σήμερα διαδραματίζει βασικό ρόλο σε διάφορες βιοτεχνολογικές διεργασίες, όπως ζυμώσεις της μπύρας, του κρασιού, καθώς και ζυμώσεις παραγωγής βιοκαυσίμων. Η γρήγορη κατανάλωση σακχαρούχων υποστρωμάτων, η παραγωγή αιθανόλης και η αλκοολοανθεκτικότητα, καθώς και η δυνατότητα ανάπτυξής τους χωρίς οξυγόνο, είναι μερικά από τα πλεονεκτικά χαρακτηριστικά των ζυμών. Η αιθανόλη ως προϊόν υψηλής προστιθέμενης αξίας μπορεί να αξιοποιηθεί ως υγρό βιοκαύσιμο, αποτελώντας εναλλακτική πηγή ενέργειας. Στην παρούσα μελέτη στόχος ήταν η αξιολόγηση νέων, πρόσφατα απομονωμένων στελεχών ζυμών (Saccharomyces cerevisiae XS, Pichia fermentans 5265, Pichia anomala, Pichia kluyveri, Pichia guillermondi, Kluyveromyces marxianus LPBH6) ως προς την ικανότητά τους να αυξάνονται σε συνυποστρώματα γλυκόζης και φρουκτόζης, υπό αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες και να παράγουν μεταβολίτες, όπως αιθανόλη, καθώς και μικροβιακά λιπίδια και ενδοπολυσακχαρίτες. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν μικροβιακές ζυμώσεις σε αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες, με αρχική συγκέντρωση σακχάρων ίση με 120 g/L, οι οποίες οδήγησαν σε πλήρη αφομοίωση των σακχάρων από όλα τα στελέχη των μικροοργανισμών. Στις αερόβιες ζυμώσεις, τα στελέχη P. fermentans 5265 και P. anomala επέδειξαν την υψηλότερη παραγωγή και παραγωγικότητα αιθανόλης (55 g/L και 1,2 g/L/h), ενώ στις αναερόβιες ζυμώσεις η μέγιστη παραγωγή και παραγωγικότητα αιθανόλης επιτεύχθηκε με τη ζύμη Klyveromyces marxianus LPBΗ6 (51 g/L και 1,1 g/L/h). Γενικά, το υπόστρωμα γλυκόζης καταναλώθηκε πιο γρήγορα και εύκολα από τους μικροοργανισμούς συγκριτικά με την φρουκτόζη, ενώ παράλληλα όλες οι ζύμες ήταν θετικές στο φαινόμενο Crabtree. Επιπλέον, η παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων κινήθηκε σε χαμηλά ποσοστά, μικρότερα του 5%, ενώ στις αερόβιες σημειώθηκε μεγαλύτερη παραγωγή λιπιδίων απ’ ότι στις αναερόβιες καλλιέργειες, τα οποία ήταν πλούσια σε ακόρεστα λιπαρά οξέα, με κυρίαρχο το ελαϊκό οξύ. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν αναερόβιες ζυμώσεις με τις ζύμες K. marxianus LPHB6 και S.cerevisiae XS σε αρχική συγκέντρωση σακχάρων περί τα 200 g/L, οι οποίες σημείωσαν αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης, πάνω από 9% (v/v), καθώς και πολύ υψηλές παραγωγικότητες, περί το 2 g/L/h

The alcoholic fermentation of sugar-based substrates using yeasts, is one of the most diachronic human technologies, which even nowadays plays a key role in various biotechnological processes, such as beer and wine fermentations, as well as biofuel production fermentations. The rapid consumption of sugar-based substrates, the ethanol production and ethanol resistance, as well as the ability of anaerobic growth, are some of the advantages of yeast fermentation. Ethanol, as a value-added product, can be valorized as a biofuel, constituting an alternative energy resource. The aim of the present study was to evaluate the ability of new, recently isolated yeast strains (Saccharomyces cerevisiae XS, Pichia fermentans 5265, Pichia anomala, Pichia kluyveri, Pichia guillermondi, Kluyveromyces marxianus LPBH6) to grow on glucose and fructose substrates, under aerobic and anaerobic conditions, as well as the ability to produce ethanol, microbial lipids and intra-cellular polysaccharides. Firstly, aerobic, and anaerobic fermentations were carried out with an initial sugar concentration (glucose and fructose) equal to 120 g/L, which led to total accumulation of the substrate by all the yeast strains. As for the aerobic fermentations, the strains P. fermentans 5265 and P. anomala reached the highest ethanol production and productivity (55 g/L και 1,2 g/L/h), while in the anaerobic fermentations the highest ethanol production and productivity was achieved by the yeast Klyveromyces marxianus LPBΗ6 (51 g/L και 1,1 g/L/h). In general, the microbial strains consumed the glucose substrate easier and faster compared to the fructose substrate, while all the strains were positive to the Crabtree effect. Moreover, the microbial lipids production reached a percentage less than 5%, while in the aerobic fermentations the microbial lipids production was higher than the one in anaerobic fermentations. Furthermore, the microbial lipids were rich in unsaturated fatty acids, especially oleic acid. Finally, anaerobic fermentations were conducted by using the yeasts K. marxianus LPHB6 and S. cerevisiae XS, with an initial sugar concentration of 200 g/L, which reached high concentrations of ethanol production, more than 9%(v/v), as well as very high ethanol productivities, approximately 2 g/L/h.