Location of Repository

Kinetic study of the alcoholic fermentation in the presence of new biocatalysts

By Γεωργία Λαϊνιώτη

Abstract

Η Αέρια Χρωματογραφία Αναστρεφόμενης Ροής (Α.Χ.Α.Ρ.) χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των σταθερών ταχύτητας σε κάθε φάση της αλκοολικής ζύμωσης καθώς και της παραγόμενης αλκοόλης (αιθανόλης), παρουσία νέων βιοκαταλυτών. Οι σταθερές ταχύτητας σε κάθε φάση της αλκοολικής ζύμωσης προσδιορίστηκαν με την εξαγωγή ενός μαθηματικού μοντέλου το οποίο συνδέει τα πειραματικά μετρούμενα μεγέθη (ύψος κορυφών έκλουσης) με τη συγκέντρωση της παραγόμενης αιθανόλης. Η τεχνική της Α.Χ.Α.Ρ. στηρίζεται στην απλή ή διπλή αναστροφή της ροής του φέροντος αερίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα και επιτρέπει τον προσδιορισμό φυσικοχημικών μεγεθών. Έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στον προσδιορισμό των συντελεστών διάχυσης και μεταφοράς μάζας, των σταθερών ισορροπίας προσρόφησης, των παραμέτρων Lennard-Jones, καθώς και στον προσδιορισμό σταθερών ταχύτητας, κ.α. Στην παρούσα διατριβή το είδος της ζύμης που χρησιμοποιήθηκε ήταν το ψυχρόφιλο και αλκοολοανθεκτικό στέλεχος, Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1, το οποίο απομονώθηκε από μια Ελληνική αγροτική περιοχή και φυλάσσεται στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Τροφίμων του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. @ς φορέας ακινητοποίησης χρησιμοποιήθηκε, για πρώτη φορά το άμυλο σε διαφορετικές μορφές: πρώτες ύλες από τις οποίες προέρχεται το άμυλο (σιτάρι, κριθάρι, αραβόσιτος, πατάτα, ρύζι), ζελατινοποιημένο άμυλο (σιτάρι, αραβόσιτος), καθώς και καθαρό άμυλο (σιτάρι, αραβόσιτος). Επιπλέον, με σκοπό την πιστοποίηση της ακρίβειας τόσο του μαθηματικού μοντέλου όσο και της τεχνικής της Α.Χ.Α.Ρ. για τη μέτρηση της παραγόμενης αιθανόλης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με δύο επιπλέον μεθόδους: την κλασσική χρωματογραφία και την απόσταξη και έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων. Η ακινητοποίηση των κυττάρων της ζύμης στους φορείς επιβεβαιώθηκε με φωτογραφίες όπως αυτές ελήφθησαν με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Οι επαναλαμβανόμενες αλκοολικές ζυμώσεις, που πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό γλυκόζης, και εν συνεχεία σε μούστο, απέδειξαν ότι τα ακινητοποιημένα κυτταρικά συστήματα οδήγησαν σε μικρότερους χρόνους ζύμωσης συγκριτικά με τα ελεύθερα. Κατά την κινητική μελέτη των αλκοολικών ζυμώσεων καλύτεροι φορείς ακινητοποίησης στην κατηγορία των πρώτων υλών ήταν το σιτάρι, ενώ σε αυτήν του ζελατινοποιημένου αμύλου ο αραβόσιτος, καθώς παρουσίασαν υψηλότερες τιμές σταθερών ταχύτητας έναντι των υπολοίπων φορέων, όπως υπολογίστηκαν με την Α.Χ.Α.Ρ. για κάθε φάση της αλκοολικής ζύμωσης. Αξίζει να σημειωθεί πως οι σταθερές ταχύτητας που υπολογίστηκαν για τη δεύτερη φάση της αλκοολικής ζύμωσης είναι μιας τάξης μεγέθους μικρότερες σε σχέση με εκείνες που εμφανίζονται στις άλλες δύο φάσεις. Σε όλες τις περιπτώσεις δεν παρατηρήθηκαν διαφορές στα ποσά της παραγόμενης αιθανόλης που προσδιορίστηκαν στο τέλος των αλκοολικών ζυμώσεων είτε με την Α.Χ.Α.Ρ., είτε με τις μεθόδους της κλασσικής χρωματογραφίας και της απόσταξης. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε, πως η Α.Χ.Α.Ρ. παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα συγκριτικά με τις άλλες δύο μεθόδους και επιτρέπει τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των σταθερών ταχύτητας σε κάθε φάση της αλκοολικής ζύμωσης καθώς και της παραγόμενης αιθανόλης. Επιπλέον, προσδιορίστηκαν οι σταθερές ταχύτητας για κάθε φάση των αλκοολικών ζυμώσεων που πραγματοποιήθηκαν σε βιοαντιδραστήρα 100 L χρησιμοποιώντας τον βέλτιστο βιοκαταλύτη (σταθερότητα δραστικότητας του βιοκαταλύτη, σταθερές ταχύτητας για κάθε φάση της ζύμωσης) από την κατηγορία των πρώτων υλών, το σιτάρι. Ένας από τους κύριους σκοπούς της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη της κινητικής των αλκοολικών ζυμώσεων των ελεύθερων και ακινητοποιημένων κυττάρων ΑΧΑΖ-1 σε καθαρό άμυλο (σιτάρι, αραβόσιτος), σε διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας και pH, μέσω της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Βαρυτικού Πεδίου (Μ.Χ.Β.Π.) και η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα που ελήφθησαν με την Α.Χ.Α.Ρ. Η μέθοδος αυτή (Μ.Χ.Β.Π.) είναι κατάλληλη για τoν χαρακτηρισμό των κυττάρων των ζυμών και τη μελέτη της βιωσιμότητας και της δραστικότητάς τους. Iιαφορές που εμφανίζονται στις καμπύλες έκλουσης σχετίζονται άμεσα με τις διαφορετικές κατανομές των κυττάρων της ζύμης, τις διαφορετικές πυκνότητες, τη μορφολογία και/ή το μέγεθός τους. Η Μ.Χ.Β.Π. μπορεί να μας δώσει πολύτιμες πληροφορίες για την κατανομή του μεγέθους των κυττάρων της ζύμης, την πυκνότητα και το μέγεθός τους. Για να αποδείξουμε τη σχέση μεταξύ των μεταβολών που παρατηρούνται στις κορυφές έκλουσης με την κινητική των αλκοολικών ζυμώσεων, πραγματοποιήθηκαν επιπλέον αναλύσεις για τον υπολογισμό της τελικής συγκέντρωσης σακχάρου με Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης (H.P.L.C.) καθώς και της % v/v συγκέντρωσης της αιθανόλης με κλασσική Αέρια Χρωματογραφία (G.C.). Τόσο τα ακινητοποιημένα όσο και τα ελεύθερα συστήματα λειτούργησαν καλύτερα στη θερμοκρασία των 30ºC παρουσιάζοντας τις υψηλότερες τιμές σταθερών ταχύτητας. Η μείωση της θερμοκρασίας οδήγησε σε μείωση των σταθερών ταχύτητας της ζύμωσης καθώς και του αριθμού των ακινητοποιημένων κυττάρων. Επιπλέον, στο pH του θρεπτικού υγρού (pH=5), παρατηρήθηκαν υψηλότερες ταχύτητες ζύμωσης καθώς και μεγαλύτερα ποσοστά παραγωγής αιθανόλης. Η διάρκεια των αλκοολικών ζυμώσεων καθώς και οι σταθερές ταχύτητας αυτών παρουσίασαν μικρότερες τιμές στα ακινητοποιημένα κύτταρα, συγκριτικά με τα ελεύθερα, γεγονός που συμφωνεί με τη βιβλιογραφία. Τέλος, συγκρίνοντας τα συστήματα των ακινητοποιημένων κυττάρων καλύτεροι χρόνοι ζύμωσης και υψηλότερες τιμές σταθερών ταχύτητας, παρατηρήθηκαν όταν σαν φορέας χρησιμοποιήθηκε άμυλο από σιτάρι. Επιπλέον, διαπιστώνουμε πως οι ενέργειες ενεργοποίησης των αλκοολικών ζυμώσεων εμφανίζουν μικρότερες τιμές παρουσία των φορέων ακινητοποίησης σε κάθε τιμή pH. Τα ανωτέρω επιβεβαιώνουν την καταλυτική ικανότητα και των δύο φορέων ακινητοποίησης με το σιτάρι να πλεονεκτεί έναντι του αραβόσιτου. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από την κινητική μελέτη των αλκοολικών ζυμώσεων με τις τεχνικές της Α.Χ.Α.Ρ. και της Μ.Χ.Β.Π. οδήγησαν σε σύγκριση των δύο μεθόδων και επιβεβαίωση της ακρίβειας και αξιοπιστίας τους.

Topics: Κινητική μελέτη, Αλκοολική ζύμωση, Βιοκαταλύτες, Φορείς ακινητοποίησης, Σταθερές ταχύτητας, Ενέργειες ενεργοποίησης, Αέρια χρωματογραφία αναστρεφόμενης ροής, Μονοφασική χρωματογραφία βαρυτικού πεδίου, Kinetic study, Alcoholic fermentation, Biocatalysts, Immobilization carriers, Rate constants, Activation energies, Reversed flow gas chromatography, Gravitational field flow fractionation
Publisher: Πανεπιστήμιο Πατρών
Year: 2009
OAI identifier: oai:phdtheses.ekt.gr:10442/26993
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://hdl.handle.net/10442/he... (external link)
  • Suggested articles


    To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.