Drożdże i ich metabolity w procesie fermentacji alkoholowej

niedziela, 26 września 2021

Zapraszamy do lektury naszego artykułu pt.: „Drożdże i ich metabolity w procesie fermentacji alkoholowej”. Publikacja ukazała się w branżowym czasopiśmie Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny 3/2021, a jej autorem jest technolog Justyna Rębas. Wiedza zawarta w artykule jest świetnym i wiarygodnym źródłem informacji dla branży spirytusowej. Omawia ważne zagadnienie, jakim jest fermentacja alkoholowa.

Fermentacja alkoholowa. Drożdże i ich metabolity w procesie fermentacji alkoholowej

mgr inż. Justyna Anna Rębas, Centrum Badawczo-Rozwojowe Chemat Sp. z o.o., Wydział Biotechnologii
i Nauk o Żywności Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
, j.kieller@popchemat.pl

Streszczenie

Przemysł gorzelniczy w Polsce dostarcza na rynek krajowy i zagraniczny wiele wyrobów alkoholowych, do których zaliczamy między innymi rumy, whisky i spirytus. Do ich produkcji wykorzystywane są preparaty enzymatyczne pochodzenia biologicznego oraz drożdże, których głównym celem jest przekształcenie węglowodanów w etanol. Ten proces to fermentacja alkoholowa.

W trakcie procesu fermentacji alkoholowej oprócz głównego produktu jakim jest etanol powstaje również wiele produktów ubocznych, które są separowane podczas destylacji i rektyfikacji spirytusu. Ich ilość zależy od wielu czynników między innymi takich jak szczep stosowanych drożdży, temperatura i pH fermentacji, oraz zawartość składników mineralnych w zacierze [1].

Słowa kluczowe: drożdże, fermentacja alkoholowa, zacier, etanol

Drożdże są uważane za jedne z pierwszych mikroorganizmów wykorzystywanych przez człowieka do przetwarzania żywności i napojów alkoholowych. Proces, jakim jest fermentacja alkoholowa, to jeden z najstarszych znanych ludzkości procesów biotechnologicznych. Drożdże mają budowę typową dla komórki eukariotycznej. W jej skład wchodzą: jądro komórkowe, błona cytoplazmatyczna, ściana komórkowa, cytoplazma, wakuola, mitochondria, rybosomy, Aparat Golgiego i retikulum endoplazmatyczne. Najbardziej powszechnym sposobem rozmnażania się drożdży jest pączkowanie, które poprzedza proces mitotycznego podziału jądra. Komórka macierzysta dzieli się i wytwarza dwie nowe komórki potomne, które są  ze sobą identyczne pod względem genetycznym.

Zatem mitoza jest częścią procesu podziału, w której DNA jądra komórkowego jest podzielone na dwa równocenne zestawy chromosomów. Komórka potomna rośnie, a następnie oddziela się od komórki macierzystej ścianą komórkową i błoną cytoplazmatyczną stanowiąc samodzielny organizm.

Z każdym podziałem na powierzchni komórki macierzystej tworzą się tzw. blizny, które świadczą o jej wieku. Starzenie drożdży jest dla nich śmiertelne i zależy od liczby podziałów podejmowanych przez daną komórkę.

Do typowych oznak starzenia zalicza się wzrost liczby blizn, wielkość komórki oraz jej zmarszczki powierzchniowe. Zjawisku starzenia się towarzyszy również postępujące upośledzenie mechanizmów komórkowych, co prowadzi do mniejszej odporności na czynniki stresowe [2, 3].

Zdjęcie 1. Pączkująca komórka drożdżowa – obraz mikroskopowy [4]

Co ma wpływ na wybór szczepu drożdży?


Wybierając szczep drożdży do produkcji etanolu należy zwrócić szczególną uwagę na ich odporność temperaturową oraz tolerancję na wysokie stężenie alkoholu. Najczęściej stosowanymi drożdżami do otrzymywania etanolu są drożdże z gatunku Sacharomyces cerevisiae, których optymalna temperatura do wzrostu i funkcjonowania mieści się w granicach od 25˚C do 40˚C, a stężenie etanolu może wynosić nawet 18% [5].


Niezbędnym substratem do produkcji alkoholu etylowego i przeprowadzenia zjawiska, jakim jest fermentacja alkoholowa, są węglowodany. Ich optymalnym źródłem są zboża, rośliny jadalne oraz ziemniaki zawierające skrobię, która jest polimerem glukozy. Wykorzystując do produkcji etanolu surowce rolnicze należy stosować preparaty enzymatyczne. Hydrolizują one długie łańcuchy skrobiowe do glukozy, która jest asymilowana przez drożdże.

Propagacja drożdży i wymagania środowiskowe dla ich wzrostu

Propagacja drożdży w warunkach przemysłowych zachodzi w zbiornikach propagacyjnych. Do nich dodaje się drożdże z pożywką bogatą w azot i witaminy. Jednocześnie do prawidłowego rozwoju drożdży niezbędne są pierwiastki takie jak: węgiel, fosfor, potas i magnez w formie łatwo przyswajalnej. Dodatek do podłoża cukrowego pożywek w postaci związków mineralnych pozwala na przyspieszenie rozwoju i wzrostu liczby komórek drożdży, zwiększenie wydajności biomasy oraz produkcji etanolu. Jedną z najważniejszych witamin obecnych w pożywce jest witamina B1 – tiamina, która wspomaga namnażanie drożdży, gwarantując szybkie rozpoczęcie fermentacji i kompletne odfermentowanie substratu.

Podczas propagacji do zbiorników propagacyjnych należy dostarczyć tlen, który jest niezbędny dla prawidłowego wzrostu drożdży i jest siłą napędową wielu aspektów metabolizmu drożdży, w tym fermentacji. Jest szybko wchłaniany przez drożdże i wykorzystywany do syntezy nienasyconych kwasów tłuszczowych i steroli, które tworzą błonę komórkową drożdży. Cząsteczki te są ważne zarówno dla wzrostu, jak i fermentacji. W związku z tym służą one do przechowywania tlenu w komórce. Natomiast niedobór tlenu prowadzi do zmniejszenia ilości lipidów i nienasyconych kwasów tłuszczowych w komórkach drożdżowych oraz hamuje ich rozwój.


W trakcie propagacji stężenie cukrów fermentujących powinno być niskie – w ten sposób unika się negatywnego efektu Crabtree, polegającego na produkcji etanolu w warunkach tlenowych przy dużym stężeniu glukozy [6].

Poniżej przedstawiono czterostopniowy cykl życia komórki drożdżowej (Wykres 1.).

faza życia komórki drożdżowej fermentacja alkoholowa
Fazy życia komórki drożdżowej

Cykl życia drożdży można podzielić na cztery etapy. Pierwszy z nich to faza adaptacji, która trwa kilka pierwszych godzin po dodaniu drożdży do podłoża cukrowego. W tym czasie nie są widoczne oznaki fermentacji i wzrostu. Drożdże adaptują się do nowych warunków środowiska, pochłaniają całkowitą ilość tlenu dostarczanego do zbiornika propagacyjnego i wykorzystują go do syntezy wszystkich niezbędnych enzymów i innych mechanizmów metabolicznych. W konsekwencji etap adaptacji powinien zakończyć się w ciągu kilku godzin.

Druga faza to faza przyspieszonego wzrostu, podczas której komórki drożdży zaczynają rosnąć i się dzielić. W końcu następuje trzecia faza. Populacja drożdży osiąga maksymalną gęstość. W rezultacie obserwowana jest intensywna fermentacja po której następuje faza obumierania i zwiększenie ilości nieaktywnych komórek.

Prawidłowy przebieg cyklu życia drożdży zależy od sposobu prowadzenia procesu propagacji i fermentacji oraz zapewnienia komórkom drożdżowym niezbędnych składników mineralnych potrzebnych do rozmnażania
i wzrostu. Naprawdę istotnym czynnikiem dla funkcjonowania mikroorganizmów jakimi są drożdże jest również brak bakterii i innych mikroorganizmów w podłożu fermentacyjnym.

Tutaj należy zwrócić uwagę, że podczas produkcji etanolu w skali przemysłowej może jednak dojść do infekcji zacieru. Zakażenia mogą powodować bakterie kwasu mlekowego, octowego oraz dzikie drożdże. Ich obecność hamuje rozwój drożdży szlachetnych, co prowadzi do niższej wydajności produktu końcowego oraz pogorszenia walorów smakowych i zapachowych etanolu. Dlatego przy zachowaniu odpowiednich warunków higienicznych procesu technologicznego nie dochodzi do intensywnego rozwoju niepożądanej mikroflory. Stą przyrost zawartości kwasów organicznych w zacierze jest mały i nie powoduje znacznego obniżenia pH środowiska. Spadek pH podłoża fermentacyjnego, poniżej wartości 4, może blokować aktywność amylolityczną stosowanych preparatów enzymatycznych.

Dzikie drożdże mogą dostać się na linię produkcyjną wraz z surowcem. Charakteryzują się innym kształtem
i rozmiarami w porównaniu z czystymi szczepami, co można łatwo zaobserwować pod mikroskopem. Przed każdym cyklem fermentacji, aby uniknąć obecności dzikich drożdży, należy dbać o czystość zbiorników fermentacyjnych i propagacyjnych. Mianowicie bakterie kwasu octowego nie są w stanie przeżyć i rozwijać się w warunkach beztlenowych w związku z czym organizmy te nie są zagrożeniem w zbiornikach fermentacyjnych. Na pozostałych etapach produkcji istnieją idealne warunki do rozwoju i wzrostu tych mikroorganizmów.

Bakterie kwasu mlekowego mają większe zdolności przystosowawcze w porównaniu z bakteriami kwasu octowego. Rozmnażają się one w szerokim zakresie temperatur (2˚C-53˚C), a ich szlaki metaboliczne mogą prowadzić do wytworzenia kwasu mlekowego. Na dodatek niska wartość pH w trakcie fermentacji spowodowana ich obecnością negatywnie wpływa na aktywność enzymu glukoamylazy, który stosuje się w procesie produkcyjnym.

Negatywnie na rozwój drożdży wpływa również zbyt wysokie stężenie cukrów i alkoholu w podłożu fermentacyjnym [8]. Wyniki badań prowadzonych przez naukowców potwierdzają, że wysoka zawartość cukru w zacierze wywołuje stres w komórkach drożdży, który objawia się wzrostem syntezy aldehydów oraz alkoholi wyższych. Z kolei wysoka zawartość alkoholu uszkadza błonę plazmatyczną komórki drożdżowej w efekcie prowadząc do jej śmierci.


Konkludując drożdże są bardzo wrażliwe na nagłe zmiany temperaturowe – zarówno na nagłe podwyższenie temperatury, jak i na jej spadek. Zimny szok stresowy hamuje ich pączkowanie, a zbyt wysoka temperatura ścina ich białka i kwasy nukleinowe. Dlatego w celu wyeliminowania negatywnego efektu szoku termicznego drożdży zakłady przemysłowe wdrażają rozwiązania technologiczne gwarantujące utrzymanie stałej temperatury w trakcie procesu fermentacji. Jest to możliwe dzięki nowoczesnym systemom kontrolno-pomiarowym zintegrowanym z układami chłodzenia i cyrkulacji zbiorników fermentacyjnych.

Fermentacja alkoholowa

Docelowym produktem powstającym w omawianym procesie, jakim jest fermentacja alkoholowa, to etanol. Jednak w jej trakcie są syntezowane również produkty uboczne, które należy usunąć w procesie destylacji i rektyfikacji spirytusu. W tym celu stosuje się innowacyjne technologie i rozwiązania, pozwalające w sposób efektywny i ekonomiczny oczyszczać otrzymany produkt. Do produktów ubocznych zalicza się alkohole wyższe, aldehydy, estry, poliole i kwasy organiczne. Niewątpliwie są one wytwarzane przez drożdże w niewielkich stężeniach, ale wpływają na cechy organoleptyczne napojów alkoholowych. Ilość powstających zanieczyszczeń zależy w głównej mierze od jakości stosowanego surowca, szczepu drożdży oraz warunków prowadzenia procesu fermentacji. 

konwersja glukozy do etanolu fermentacja alkoholowa
Wykres 2. Konwersja glukozy do etanolu – opracowanie własne

Fermentacja alkoholowa jest to ciąg reakcji chemicznych przebiegających przy udziale odpowiednich enzymów wytwarzanych przez drożdże, między innymi dekarboksylazy pirogronianowej oraz dehydrogenazy alkoholowej – Wykres 2. Procesy życiowe komórek drożdżowych wymagają stałego dopływu energii, którą pozyskują z dostępnych w otoczeniu substratów energetycznych. Glukoza jest podstawowym substratem energetycznym
a wewnątrzkomórkowe procesy metaboliczne bazują na związkach będących jej pochodnymi. Glukoza zapewnia szkielet węglowy wykorzystywany w komórkowych procesach biosyntetycznych.

Pierwszym etapem oddychania beztlenowego zachodzącego w cytozolu jest glikoliza, czyli ciąg beztlenowych reakcji, w których z glukozy powstaje kwas pirogronowy. Powstały w trakcie glikolizy pirogronian jest transportowany do matriks mitochondrialnej przez przenośnik znajdujący się w błonie mitochondrialnej komórek drożdży. W matriks mitochondrialnej pirogronian jest oksydacyjnie dekarboksylowany przez kompleks enzymatyczny dehydrogenazy pirogronianowej do aldehydu octowego i dwutlenku węgla. Powstały aldehyd octowy jest przekształcany do alkoholu etylowego przy udziale dehydrogenazy alkoholowej. Jeżeli rekcja nie przebiegnie stechiometrycznie w składzie głównego produktu znajdzie się podwyższona ilość związków zawierających ugrupowanie aldehydowe – COH [9].

Istotną grupą wpływającą na jakość alkoholu etylowego są również alkohole wyższe. Ich ilość w dużej mierze zależy od zastosowanego podłoża fermentacyjnego, wykorzystanych drożdży, sposobu prowadzenia procesu fermentacji i destylacji, a także od technologii oddzielania i usuwania olejów fuzlowych [9]. Obok alkoholi wyższych powstają również estry ze względu na obecność w zbiornikach fermentacyjnych zarówno kwasów jak i alkoholi. To one w największym stopniu wpływają na zapach spirytusu i walory organoleptyczne alkoholi.

Podsumowanie

Na zakończenie – dobór odpowiednich drożdży będących źródłem enzymów odpowiedzialnych za przemianę cukrów w alkohol jest kluczowy i ma duży wpływ na obecność zanieczyszczeń w spirytusie. Bez wątpienia, aby uzyskać produkt z wysoką wydajnością i czystością, należy pamiętać o zapewnieniu odpowiednich warunków. Takich, które zapewnią odpowiednie środowisko dla rozmnażania i właściwego funkcjonowania komórek drożdżowych. W rezultacie proces fermentacji alkoholowej prowadzony z wykorzystaniem drożdży daje poza alkoholem etylowym wiele produktów ubocznych, które wpływają na jakość docelowego produktu jakim jest etanol. Godnym uwagi jest fakt, że dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii i automatyzacji procesów produkcyjnych większość z nich udaje się usunąć podczas procesu destylacji i rektyfikacji spirytusu.

Literatura


[1] Kotarska Katarzyna, Dziemianowicz Wojciech. 2015. „Wpływ różnych warunków fermentacji
alkoholowej melasy na jej intensyfikację i jakość otrzymanego spirytusu”, ŻYWNOŚĆ.
Technologia. Jakość, 2 (99), 150-159.
[2] Szweykowska Alicja., Szweykowski Jerzy. 2018. „Botanika”, Wyd. PWN.
[3] Wang Y, Lo WC, Chou CS. 2017. „A modeling study of budding yeast colony formation and its
relationship to budding pattern and aging”, PLOS Computational Biology 13(11): e1005843.
https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005843
[4] Poreda Aleksander, Antkiewicz Piotr, Borla Anna, Stefaniak Bożena. 2008. „Cykl rozwoju
komórki drożdżowej, mechanizm podziału i starzenia”, Agro Przemysł, 3/2008.
[5] Yan Lin, Wei Zhang, Chunjie Li, Kei Sakakibara, Shuzo Tanaka, Hainan Kong. 2012. Factors affecting
ethanol fermentation using Saccharomyces cerevisiae BY4742”, Biomass and Bioenergy, 47, 395-401. [6] Jan Steensels , Tim Snoek, Esther Meersman, Martina Picca Nicolino, Karin Voordeckers, Kevin J
Verstrepen, 2014. „Improving industrial yeast strains: Exploiting natural and artificial diversity”,
FEMS Microbiology Reviews, 38, 947-995. DOI: 10.1111/1574-6976.12073
[7] J. Richard Dickinson, M. Schweizer. 1999. „Metabolism and Molecular Physiology of Saccharomyces
Cerevisiae”, 1st Edition. [8] Zielińska Dorota, Baca Elżbieta, Baranowski Krzysztof, Salamon Agnieszka. 2013. „Metabolity fermentacji
alkoholowej osmofilnych drożdży Sacharomyces w zależności od szczepu oraz zawartości cukrów w
brzeczce”, Postępy Nauki i Technologii Przemysłu Rolno-Spożywczego, t 61 nr 1.
[9] Stanisz Maciej, Sapińska Eweina, Pielech-Przybylska Katarzyna. 2009. „Charakterystyka
zanieczyszczeń występujących w spirytusach surowych”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej,
Nr 1058, z.73.

Aktualności

Nominacja firmy Chemat do tytułu EkoSymbol 2022 - środa, 31 sierpnia 2022

Międzynarodowe Targi Achema 2022 - poniedziałek, 29 sierpnia 2022

Projekt „Rektyfikacja czynników chłodniczych” - czwartek, 28 lipca 2022

Chłodnie wentylatorowe, centralne systemy chłodzenia - poniedziałek, 16 maja 2022

Zapytanie ofertowe nr 21/2022/LIFE/CHEMAT - wtorek, 12 kwietnia 2022

Zapytanie ofertowe nr 20/2022/LIFE/CHEMAT - środa, 9 marca 2022

Historia Konińskiej Rektyfikacji Spirytusu - poniedziałek, 7 marca 2022

Chemat brylantem w koronie polskich firm. Co z budową kotłowni paliw alternatywnych? - środa, 23 lutego 2022

Zapytanie ofertowe nr 19/2022/LIFE/CHEMAT - wtorek, 25 stycznia 2022

Zapytanie ofertowe nr 18/2022/LIFE/CHEMAT - poniedziałek, 24 stycznia 2022

Brylanty Polskiej Gospodarki 2020 Branży Chemicznej i Efektywna Firma 2020 Branży Chemicznej - poniedziałek, 6 grudnia 2021

Zapytanie ofertowe nr 17/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 24 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 16/2021/LIFE/CHEMAT - piątek, 5 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 15/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 4 listopada 2021

Zapytanie ofertowe nr 14/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 3 listopada 2021

Celebrujemy zakończenie pracy w gorzelni w Żyrzynie - niedziela, 17 października 2021

Covid-19 debata ekspercka - wtorek, 12 października 2021

Utrzymanie statusu centrum badawczo-rozwojowego 2021 - poniedziałek, 11 października 2021

Zapytanie ofertowe nr 13/2021/LIFE/CHEMAT - środa, 6 października 2021

Drożdże i ich metabolity w procesie fermentacji alkoholowej - niedziela, 26 września 2021

Wpływ parametrów procesu upłynniania skrobi na skład cukrowy zacieru. Potencjał nowych preparatów enzymatycznych - niedziela, 12 września 2021

Bezodpadowa produkcja bioetanolu – czy to możliwe? - wtorek, 7 września 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE / Request for quotation – NR 12/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 5 sierpnia 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE / Request for quotation – NR 11/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 1 lipca 2021

ZAPYTANIE OFERTOWE/ Request for quotation – NR 10/2021/LIFE/CHEMAT - czwartek, 1 lipca 2021

Zapytanie ofertowe – wybór wykonawcy - środa, 2 czerwca 2021

Zapytanie ofertowe – dostawa materiałów w ramach realizacji projektu - wtorek, 1 czerwca 2021

Projekt „Instalacja demonstracyjna do separacji odpadów mieszanin czynników chłodniczych” - piątek, 10 kwietnia 2020

Ulga podatkowa na badania i rozwój - środa, 1 kwietnia 2020

Środek biobójczy ALKOSEPTIN PRO do dezynfekcji rąk i powierzchni - wtorek, 24 marca 2020

PROZON Fundacja Ochrony Klimatu i Chemat podpisali umowę dofinansowania projektu Refrigerants LIFE Cycle z NFOŚiGW - czwartek, 12 marca 2020

Jak tworzyć przemysł nowocześnie, elegancko i z pasją - poniedziałek, 9 marca 2020

Polityka jakości i Urząd Dozoru Technicznego - piątek, 6 marca 2020

Utrzymanie statusu centrum badawczo-rozwojowego - środa, 4 września 2019

Projekt „Rektyfikacja czynników chłodniczych” - piątek, 9 sierpnia 2019

Projekt z ramienia Centrum Badawczo-Rozwojowego „Chemiczna Pompa Ciepła” - środa, 24 kwietnia 2019

Współpraca z Politechniką Łódzką - poniedziałek, 30 lipca 2018

Wyróżnienie w rankingu miesięcznika Forbes – „Diamenty Forbesa 2017” - poniedziałek, 10 kwietnia 2017

Powiadomienie o wyborze najkorzystniejszej oferty w ramach postępowania 1/PO1R/2017 - czwartek, 6 kwietnia 2017

XXI Turniej Olka Ruminkiewicza - czwartek, 30 marca 2017

Charytatywny Bal Marzenie - czwartek, 30 marca 2017

Zapytanie ofertowe Nr 1/POIR/2017 z dnia 27.02.2017r. - poniedziałek, 27 lutego 2017

Warsztaty biotechnologiczne trwają! - środa, 22 lutego 2017

Warsztaty biotechnologiczne w II Liceum w Koninie - wtorek, 14 lutego 2017

Wizyta Świętego Mikołaja! - piątek, 9 grudnia 2016

Przygotowania materiału promocyjnego - czwartek, 8 grudnia 2016

Feel The Power! - poniedziałek, 22 lutego 2016

Nominacja „Eko Inspiracje 2015” - piątek, 22 stycznia 2016

Złote serduszko za dziesięć tysięcy - środa, 20 stycznia 2016

Kolejna wygrana Chemat Basket Konin! - poniedziałek, 9 marca 2015

Chemat