Введение к работе
Актуальность проблемы. Во всех отраслях пищевой промышленности все большее значение приобретает проблема снижения себестоимости выпускаемой продукции с сохранением ее высокого качества и конкурентоспособности на рынке. Эта же проблема затрагивает и винодельческое производство
В России сегодня жесткие требования предъявляются к качеству вина, производимому внутри страны и импортируемому из-за рубежа Разработка новых технологий виноделия при использовании инновационных подходов, позволяющих увеличить объем производимой продукции при сохранении ее высокого качества является актуальным решением современных задач виноделия
Согласно известным публикациям, применение иммобилизованных клеток дрожжей во многих отраслях виноделия может обеспечивать повышение рентабельности производства и улучшение качества готовой продукции (Taillandier, 1994; Саришвили, 1996, Fumi, 1998, Silva, 2002, Tsakins, 2004) Иммобилизованные дрожжевые клетки отличаются от свободных клеток повышенной устойчивостью к различным неблагоприятным условиям ведения процесса и возможностью их применения для получения готового продукта с более высоким содержанием этанола, в том числе в режиме непрерывных технологий, а также позволяют существенно упростить отделение готового продукта от биомассы дрожжей
Наибольшую популярность при разработке препаратов на основе иммобилизованных клеток дрожжей для виноделия в качестве носителя приобрел гель альгината кальция, несмотря на то, что его структура, как правило, характеризуется низкой механической прочностью в присутствии компонентов вина (фосфат-ионов и органических кислот) Кроме того, установлено, что в подобных гелевых системах массообменные процессы внутри массы геля существенно затруднены вследствие мелкопористой структуры матрицы, что неизменно приводит к постепенному отмиранию клеток во внутренних слоях гранул биокатализатора и снижению его продуктивности
Другой наиболее широко распространенной проблемой в виноделии при использовании иммобилизованных препаратов является накопление свободных клеток в вине в процессе брожения, вызывающее помутнение готового продукта и ухудшение его качества Существуют различные предложения по преодолению накопления свободных клеток в сбраживаемой среде (Klein, 1992, Divies, 1995, Yokotsuka, 1997), однако, одним из наиболее эффективных подходов к преодолению этой проблемы является использование новых носителей Так, применение для этих целей криогеля
поливинилового спирта (ПВС), обладающего макропористой структурой, высокими прочностными и массообменными характеристиками наряду с высокой химической стабильностью, представляется перспективным решением указанных проблем
Криогели ПВС формируются в результате замораживания концентрированных растворов ПВС, их выдерживания в замороженном состоянии в течение определенного времени и последующего оттаивания (Лозинский, 2002) В основе образования криогеля лежит структурирование полимера за счет образования множественных водородных связей Очевидно, что для клеток необходима оптимизация условий проведения криоиммобилизации и установление оптимального состава биокатализатора (концентрации клеток и полимера в грануле) для обеспечения высокой жизнеспособности и метаболической активности иммобилизованных клеток
В связи с этим, актуальной представляется разработка новой технологии получения высокоэффективного иммобилизованного биокатализатора с использованием криогеля ПВС в качестве носителя, позволяющей свести к минимуму накопление свободных клеток в среде при высокой продуктивности и стабильности функционирования иммобилизованных клеток
Исследование характеристик разработанного биокатализатора и условий его возможного применения в различных областях виноделия являются актуальными, так как направлены на повышение качества готового продукта при одновременном упрощении технологического процесса
Целью данной работы являлась разработка технологии получения нового высокоэффективного биокатализатора на основе клеток дрожжей, иммобилизованных в криогель ПВС, и исследование его свойств при использовании в производстве различных спиртосодержащих напитков
В ходе работы решались следующие основные задачи:
выбор условий подготовки клеток дрожжей к криоиммобилизации на
основе показателей метаболической активности клеток и их биохимических
характеристик,
оптимизация состава иммобилизованного биокатализатора по концентрации клеток и полимера, а также выбор условий формирования гранул биокатализатора,
применение разработанного иммобилизованного биокатализатора в процессе шампанизации вина и исследование его свойств (продуктивность, операционная стабильность и стабильность при хранении),
определение и сравнение основных характеристик готовой продукции (концентрации спирта, сахара, органических кислот и ароматических
веществ), производимой с использованием разработанного препарата иммобилизованных клеток и свободных клеток дрожжей,
выяснение возможности применения разработанного биокатализатора на основе иммобилизованных в криогель ПВС клеток дрожжей для кислотопонижения вина, устранения винных недобродов и получения вина по красному и белому методам,
оценка возможности использования разработанного иммобилизованного биокатализатора для получения биоэтанола из различных отходов сельского хозяйства и промышленности, в том числе и пищевой
Научная новизна работы. Получен новый биокатализатор на основе иммобилизованных в криогель ПВС клеток дрожжей для получения спиртосодержащих напитков Новизна разработки подтверждена заявкой на патент РФ на изобретение способа получения иммобилизованного биокатализатора для получения различных спиртосодержащих напитков (заявка № 2006113768, приоритет от 24 04 2006).
Показана важность выбора условий наращивания клеток для их иммобилизации в криогель ПВС. Установлено влияние концентрации клеток, носителя и условий формирования гранул биокатализатора на его конечные характеристики, в частности, пористость матрицы носителя и бродильную активность иммобилизованных клеток
Впервые показана возможность и перспективность использования одного и того же разработанного метода для получения биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток различных штаммов дрожжей, в частности, для применения в технологиях получения различных спиртосодержащих напитков, а также для получения биоэтанола из гидролизатов различных отходов промышленности и сельскохозяйственных культур
Практическая значимость работы. Разработанный биокатализатор перспективен, с точки зрения его эффективного использования для получения различных спиртосодержащих напитков вместо традиционно применяемых для этих целей свободных клеток дрожжей
Установлена возможность многократного использования
биокатализатора при шампанизации вина по классической технологии, что
может способствовать усовершенствованию существующего
биотехнологического процесса с технологической, экологической и экономической точек зрения Разработан лабораторный технологический регламент на получение иммобилизованного биокатализатора для шампанизации вина
Показано существенное улучшение ароматических характеристик красных, белых и игристых вин, приготовленных с применением иммобилизованных клеток, что было подтверждено высокими дегустационными оценками от экспертов производственной дегустационной комиссии отдела химии и биохимии вина Национального института винограда и вина «Магарач» (г Ялта, АР Крым)
Показана возможность успешного применения дрожжевых клеток, иммобилизованных по разработанному способу, в технологии производства биоспирта из отходов пищевых производств с выходом более 90% от теоретически возможного
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих Международных конференциях и конгрессах Межд конференции «От фундаментальной науки - к новым технологиям Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок Экологически безопасные технологии» (Тверь, Россия, 2002), XII (Vitona, Spain, 2004), XIII (Kingston, Canada, 2005), XIV Intern Workshop on Bioencapsulation (Lausanna, Switzerland, 2006), 2-ом (2003), 3-ем (2005), 4-ом Москов Межд конгрессах «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2007); Всерос симпозиуме с межд участием «Биотехнология микробов» (Москва, Россия, 2004), 9-ой и 10-ой Межд путинской школе-конференции молодых ученых «Биология - Наука XXI века" (Пущино, 2005, 2006); Intern Congress on Bioprocessing in Food Production (Patras, Greece, 2006)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, 4 статьи в сборниках статей международных конференций, 7 тезисов докладов на международных конференциях и конгрессах, подана 1 заявка на патент РФ на изобретение
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 175 стр и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 265 ссылок, и приложения Работа содержит 37 таблиц и 32 рисунка
Похожие диссертации на Разработка биотехнологий получения иммобилизованных дрожжей и их применения в бродильных производствах
