Zastosowanie mikroorganizmó immobilizowanych w winiarstwie.pdf

YWNO . Nauka. Technologia. Jako , 2006, 3 (48), 5 – 15

SYLWIA BONIN

ZASTOSOWANIE MIKROORGANIZMÓW IMMOBILIZOWANYCH

W WINIARSTWIE

S t r e s z c z e n i e

Zastosowanie komórek immobilizowanych w fermentacji alkoholowej jest korzystne ze wzgl dów

technologicznych i ekonomicznych, w porównaniu z klasycznymi technologiami z komórkami wolnymi.

W porównaniu z produkcj alkoholu przeznaczonego do celów chemicznych i opałowych, w winiarstwie

wa ne jest, aby no niki były bezpieczne, odporne na alkohol i nie powodowały zmian jako ci produktu,

a ko cowa zawarto alkoholu wynosiła co najmniej 11,5% obj. W artykule przedstawiono zagadnienia

dotycz ce zastosowania immobilizacji w winiarstwie, gdzie mikroorganizmy unieruchomione

wykorzystywane s : w ci głej oraz okresowej, powtarzanej produkcji wina, we wtórnej fermentacji

(szampanizacji), kontrolowanej fermentacji jabłkowo-mlekowej i jabłkowo-alkoholowej oraz w celu

poprawy jako ci sensorycznej gotowych produktów.

Słowa kluczowe: immobilizacja, produkcja wina, enologia, technologie fermentacji

Wprowadzenie

W fermentacji alkoholowej zastosowanie immobilizacji ma miejsce głównie

w produkcji etanolu konsumpcyjnego, chemicznego i opałowego oraz w browarnictwie

w przyspieszonym dojrzewaniu piwa i produkcji piwa bezalkoholowego. S to prace

zarówno w skali laboratoryjnej, a coraz cz ciej, tak e przemysłowej. W winiarstwie

immobilizacja znalazła zastosowanie w ci głej oraz okresowej, powtarzanej produkcji

wina, we wtórnej fermentacji (szampanizacji), kontrolowanej fermentacji jabłkowo-

mlekowej i jabłkowo-alkoholowej oraz w celu poprawy jako ci sensorycznej gotowych

produktów. Jednak w skali przemysłowej dro d e immobilizowane wykorzystywane

s jedynie w szampanizacji [13, 18].

Dr S. Bonin, Katedra Biotechnologii, Mikrobiologii i Oceny ywno ci, Wydz. Technologii ywno ci,

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, ul. Nowoursynowska 159C, 02-776 Warszawa

Sylwia Bonin

Zalety immobilizacji

Prowadzenie procesów z komórkami immobilizowanymi wi e si z

technologicznymi i ekonomicznymi korzy ciami w porównaniu z tradycyjnymi

procesami wykorzystuj cymi komórki wolne. Do korzy ci tych mo na zaliczy [18]:

− wydłu enie aktywno ci i stabilno ci biokatalizatora, poniewa no nik mo e działa

ochronnie w przypadku zmian pH, temperatury i składu podło a,

− zwi kszenie g sto ci komórek w przeliczeniu na jednostk obj to ci fermentora,

co prowadzi do wy szej produktywno ci, skrócenia czasu fermentacji oraz

eliminacji fazy namna ania si komórek,

− lepsze wykorzystanie substratu, w zwi zku z czym proces przebiega z wy sz

wydajno ci ,

− mo liwo prowadzenia procesów ci głych,

− ograniczenie wyst powanie zaka e mikrobiologicznych,

− obni enie pracochłonno ci i kosztów procesu, poniewa biokatalizator

wykorzystywany jest przez długi okres czasu.

Metody immobilizacji

W winiarstwie wykorzystywane s mikroorganizmy immobilizowane na

powierzchni lub wewn trz no nika.

Unieruchamianie na powierzchni no nika

Unieruchamianie na powierzchni no nika wyst puje, gdy komórki wykazuj

naturaln zdolno przylegania do pewnych powierzchni lub innych organizmów,

ewentualnie czyni to po zastosowaniu odpowiedniego chemicznego czynnika

wi cego. Jako no niki w winiarstwie stosowane s m.in.: skały wulkaniczne

(kissiris), szkło porowate, pochodne celulozy, gluten, jak równie owoce. W metodzie

tej mikroorganizmy unieruchamiane s na zasadzie adsorpcji lub adhezji. Podstaw

immobilizacji jest oddziaływanie mi dzy no nikiem a komórk dzi ki tworzeniu

wi za : van der Waalsa, jonowych, kowalencyjnych, hydrofobowych lub te dzi ki ich

kombinacji (rys. 1 A). Uwa a si , e w przypadku dro d y kluczow rol w wi zaniu

odgrywaj oddziaływania jonowe mi dzy no nikiem o du ej g sto ci ładunków

dodatnich a licznymi ujemnymi ładunkami na cianie komórkowej [8]. Liczba

komórek immobilizowanych na no niku zale y od rodzaju no nika [15], natomiast

wydajno adsorpcji zale y od zastosowanych mikroorganizmów, ich wieku,

metabolizmu i cech rodowiska [16]. Zmiany składu po ywki podczas fermentacji

obni aj stopie adsorpcji komórek. Ponadto mo e zachodzi cz ciowe uwalnianie

komórek, które zale y głównie od szybko ci przepływu fazy płynnej, turbulencji

wokół powierzchni no nika oraz od autolizy komórek ni szych warstw [13]. W

ZASTOSOWANIE MIKROORGANIZMÓW IMMOBILIZOWANYCH W WINIARSTWIE

przypadku unieruchamiania dro d y na powierzchni no nika zalecane jest u ywanie

materiału makroporowatego, o rednicy porów co najmniej czterokrotnie wi kszej ni

rednica komórek. Taka porowato zapewnia normalny cykl yciowy dro d y -

p czkowanie [16].

Adsorpcja na powierzchni Wi zanie elektrostatyczne Wi zanie kowalencyjne

Adsorption on a surface Electrostatic binding Covalent binding

Pułapkowanie w Mikrokapsułkowanie Unieruchamianie wewn trz

porowatym no niku membran

Entrapment within Microencapsulation Immobilization between

porous matrix membranes

Rys. 1. Metody unieruchamiania komórek: A. Unieruchamianie na powierzchni no nika, B.

Unieruchamianie wewn trz no nika [18].

Fig.1. Methods of cell’s immobilization: A. Immobilization on solid carrier, B. Immobilization within

a carrier [18].

Unieruchamianie wewn trz no nika

Polega ono na „zamykaniu” komórek w materiałach włóknistych lub porowatych

– pułapkowanie w kuleczkach elu, zamykanie wewn trz membran

półprzepuszczalnych (rys. 1 B). Jako no niki najcz ciej stosowane s : alginiany, -

karagenian, chitozan, agar, pektyna. W przypadku pułapkowania rozmieszczenie

komórek w kuleczkach jest ograniczone dyfuzj substratów i tlenu przez warstw elu

oraz wy szym, inhibuj cym st eniem etanolu w cz ci centralnej. Powoduje to, e

dro d e tworz warstw w pobli u powierzchni no nika, a w cz ci rodkowej prawie

nie wyst puj [13, 18]. Zamykanie dro d y w elach nie eliminuje przedostawania si

komórek do fermentowanego podło a. Zachodzi równie p kanie kuleczek pod

wpływem CO 2 powstaj cego podczas fermentacji. W celu ograniczenia p kania

Sylwia Bonin

kuleczek oraz zapewnienia maksymalnej ywotno ci immobilizowanych dro d y

nale y dobra odpowiedni liczb komórek w zale no ci od porowato ci elu i

wielko ci kuleczek. Ponadto celem ograniczenia ucieczki komórek z kuleczek

prowadzi si utwardzanie, np. elatyny - modyfikowan skrobi [1]. Innym

rozwi zaniem jest tworzenie płaszcza z alginianu wapnia, który ochrania kuleczki

alginianowe z zamkni tymi w rodku komórkami dro d y. Dzi ki temu komórki, które

wydostaj si z elu zatrzymuj si w wolnej warstwie mi dzy kuleczk a płaszczem

[11, 30]. Wykorzystywane najcz ciej w fermentacji etanolowej ele alginianowe s w

niewielkim stopniu przydatne do fermentacji winiarskiej, poniewa w kwa nym

rodowisku wina trac swe wła ciwo ci mechaniczne, a przy dłu szym u yciu mog

ulega destrukcji. Stabilno alginianu wapnia jest obni ana przez zwi zki maj ce

wysokie powinowactwo do jonów Ca 2+ . S to kwasy: winowy, fosforowy(V),

cytrynowy i ich sole oraz jony Na + , K + , NH 4 + , a tak e zwi zki chelatuj ce.

Wła ciwo ci te uniemo liwiaj powtórne wykorzystanie no ników, st d ich

zastosowanie jest nieekonomiczne [25]. Stwierdzono równie negatywny wpływ

alginianu na wła ciwo ci sensoryczne otrzymywanego wina [4]. Bardziej wytrzymałe

w rodowisku wina i nieoddziałuj ce negatywnie na jako produktu s ele

pektynowe [23].

Zastosowanie immobilizacji w winiarstwie

Fermentacja okresowa, powtarzana i fermentacja ci gła

W fermentacji winiarskiej dro d e immobilizowane wykorzystywane s zarówno

w procesach okresowych, powtarzanych, jak i w fermentacjach ci głych. Prowadzone

prace dotycz doboru no ników, warunków procesu i ich wpływu na cechy wina.

W procesach okresowych, powtarzanych no nik z unieruchomionymi dro d ami

po zako czeniu fermentacji periodycznej jest przemywany 2-, 3-krotnie roztworem

glukozy lub moszczem, a nast pnie wykorzystywany w kolejnej fermentacji. Stwarza

to komórkom korzystniejsze warunki w porównaniu z procesem ci głym, st d takie

dro d e wykazuj aktywno fermentacyjn przez długi okres, np.: dro d e

immobilizowane na wysuszonych rodzynkach przez ponad 4 miesi ce [29], na

kawałkach pigwy – w 40-okresowych fermentacjach, których ł czny czas wynosił 8

miesi cy [21], a unieruchomione na delignifikowanej celulozie – w 55 kolejnych

fermentacjach [6]. W cytowanych pracach uzyskiwano wytrawne wina gronowe, przy

czym w kolejnych fermentacjach stopniowo obni ano temp. z 30 do 0°C. W całym

zakresie temperatury produktywno była wy sza, a fermentacja zachodziła szybciej w

porównaniu z procesem prowadzonym przy u yciu komórek wolnych, ponadto wino

charakteryzowało si delikatnym aromatem.

ZASTOSOWANIE MIKROORGANIZMÓW IMMOBILIZOWANYCH W WINIARSTWIE

Fermentacj ci gł moszczu gronowego ze stopniowym obni aniem temp. z 30 do

5ºC prowadzono z zastosowaniem dro d y psychrofilnych unieruchomionych na

kawałkach jabłek [19] oraz na kawałkach pigwy [22]. W pierwszym przypadku proces

trwał 95 dni, w drugim – 46 dni, a uzyskiwane wina charakteryzowały si dobr

jako ci .

Do unieruchamiania dro d y stosowany jest równie nieorganiczny no nik o

nazwie kissiris. Jest to porowaty, wulkaniczny minerał pochodz cy z wysp greckich,

który składa si z ok. 70% SiO 2 , 13% Al 2 O 3 oraz innych tlenków. Dro d e

unieruchomione na tym no niku wykorzystano w trwaj cej 75 dni ci głej fermentacji

moszczu gronowego, ze stopniowym obni aniem temp. z 27 do 5°C. Produkcja etanolu

była wy sza w porównaniu z fermentacj klasyczn , przykładowo w temp. 7°C wzrost

był 13-krotny [3]. W dalszych badaniach stwierdzono, e dro d e immobilizowane na

kissiris wykazuj aktywno fermentacyjn przez ponad 2,5 roku. W tym okresie

unieruchomione dro d e wykorzystywano w powtarzanych, okresowych

fermentacjach, a tak e w trwaj cej 64 dni fermentacji ci głej. Temp. fermentacji

wynosiła 30°C, natomiast pomi dzy poszczególnymi fermentacjami no nik wraz z

unieruchomionymi komórkami przechowywano w temp. 0°C, w roztworze

rozcie czonego moszczu. Zdaniem autorów długotrwała stabilno dro d y wynikała z

biokatalitycznej, ochronnej wła ciwo ci kissiris [2].

No nikiem podobnym strukturalnie do kissiris jest szkło piankowe. Dro d e

unieruchomione na szkle piankowym wykorzystywano w 3,5-miesi cznej ci głej

produkcji wina jabłkowego. Proces fermentacji ci głej prowadzono przy u yciu dwóch

szczepów dro d y odpornych na stosunkowo wysokie st enie etanolu i cukru.

Fermentacji poddawano nastawy zawieraj ce ok. 320 g/cm 3 cukrów ogółem. W

zale no ci od czasu pracy fermentora uzyskiwano ok. 13-17% obj. alkoholu [9].

W fermentacjach ci głych dro d e s nara one przez cały czas trwania procesu na

niekorzystne działanie etanolu, ubocznych produktów fermentacji i beztlenowego

rodowiska. W przypadku długotrwałej fermentacji nastawów wysokocukrowych

stwierdzono, e dro d e wyizolowane z no nika po zako czeniu pracy fermentora

charakteryzowały si zró nicowanymi kształtami, a w przypadku niektórych komórek

równie zmienion struktur wewn trzkomórkow [10].

Nale y ponadto zwróci uwag , e zastosowany do immobilizacji dro d y no nik

wpływa na ilo otrzymywanego alkoholu i produktywno procesu. Podczas

fermentacji ci głej prowadzonej w tych samych warunkach, z wykorzystaniem dro d y

unieruchomionych na kissiris, tlenku glinu i pułapkowanych w alginianie stwierdzono,

e najwy sz zawarto ci etanolu i produktywno ci charakteryzowała si fermentacja

z komórkami pułapkowanymi w alginianie, a najni sz – z unieruchomionymi na

tlenku glinu. Prawdopodobnie było to zwi zane z ochronnym dla dro d y

mikro rodowiskiem wewn trz kuleczek, poniewa proces prowadzono w temp. 7°C, a

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: