ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 389-396 FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH Z UDZIAŁEM DROśDśY AMYLOLITYCZNYCH Joanna Kawa-Rygielska, Joanna Chmielewska, Barbara Foszczyńska Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Zakład Technologii Fermentacji, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wstęp Popularność upraw ziemniaków w Polsce wynika z tradycji, uwarunkowań przyrodniczych, jakości gleb oraz moŝliwości wielokierunkowego ich wykorzystania. Czynnikiem ograniczającym i redukującym z roku na rok powierzchnię upraw ziemniaka jest głównie bariera niskiego popytu rynkowego na tle duŝej podaŝy. Aby ziemniaki w dalszym ciągu mogły stanowić istotną pozycję na rynku polskim, konieczna jest poprawa racjonalności ich zagospodarowania. Jednym ze sposobów moŝe być wzrost wykorzystania omawianej rośliny jako surowca do produkcji bioetanolu [KUPCZYK, EKIELSKI 2002; NOWACKI 2006]. W latach 70-tych i 80-tych ziemniaki były podstawowym surowcem w kraju do produkcji spirytusu [JAROSZ 1995]. Aktualnie ich udział w produkcji spirytusu wynosi od kilku do kilkunastu procent [ZBIEĆ 2002]. Ziemniaki skrobiowe stanowią nadal cenny surowiec do produkcji etanolu ze względu na wysoką zawartość skrobi w bulwach, jednak czynnikiem ograniczającym ich zagospodarowanie do produkcji bioetanolu jest wysoka cena surowca i koszty jego przetwarzania. Wysokie koszty upraw ziemniaków skrobiowych w stosunku do innych roślin są częściowo rekompensowane wysoką wydajnością z jednostki powierzchni [NOWACKI 2006]. JednakŜe moŝliwość wykorzystania ziemniaka do produkcji etanolu na cele paliwowe wiąŝe się z koniecznością poszukiwania nowych rozwiązań technologicznych oraz mikroorganizmów alternatywnych dla droŝdŝy Saccharomyces cerevisiae [STECKA i in. 1996; STECKA i in. 1998; KŁOSOWSKI 2003; ALPER i in. 2006; PRASAD i in. 2007]. Wprowadzenie modyfikacji technologicznych oraz nowych szczepów droŝdŝy moŝe przyczynić się w znacznym stopniu do poprawy efektów ekonomicznych wykorzystania ziemniaków do produkcji etanolu. Dlatego teŝ, Autorzy pracy zaproponowali niekonwencjonalne rozwiązanie polegające na wykorzystaniu droŝdŝy amylolitycznych do fermentacji zacierów ziemniaczanych. Celem pracy była ocena przebiegu i efektów końcowych fermentacji etanolowej przez droŝdŝe amylolityczne zacieru ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem etapu scukrzania. Materiał i metody
390 J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska Materiałem uŝytym do badań były ziemniaki poddane procesowi parowania, a następnie zacierania w warunkach przemysłowych w gorzelni,,oleśnica. Proces upłynniania przeprowadzono z uŝyciem preparatu upłynniającego Termamyl 120L firmy Novo Nordisk w dawce zgodnej z zaleceniami producenta. Zaciery przygotowano bez uŝycia enzymów scukrzających. Fermentację etanolową prowadzono metodą okresową w temperaturze 30 C z uŝyciem droŝdŝy gorzelniczych, w tym równieŝ droŝdŝy modyfikowanych genetycznie [KAWA-RYGIELSKA 2004]. Materiał biologiczny stanowiły droŝdŝe: 1 - Schwanniomyces occidentalis (Sc), 2 - Saccharomyces diastaticus, 3 - Saccharomyces cerevisiae V30, 4 - Saccharomyces cerevisiae D 43, 5 - Saccharomyces cerevisiae,,malt whiskey, oraz hybrydy: S2 i S3(1x2), R1(1x3), P1(1x4), 5.1(1x5). DroŜdŜe oznaczone symbolami: 1, 2, oraz hybrydy wykazywały zdolność do produkcji enzymów amylolitycznych [KAWA-RY- GIELSKA 2004]. Jako kryterium oceny aktywności fermentacyjnej przyjęto dynamikę fermentacji wyraŝoną ilością wydzielonego CO 2 w czasie trwania procesu. Ilość wydzielonego CO 2 oznaczono wagowo. Próby waŝono do momentu, w którym róŝnica pomiędzy dwoma kolejnymi pomiarami była mniejsza niŝ 0,1 g. Moment ten traktowano jako zakończenie procesu fermentacji. Wynik wyraŝono w % ilości wydzielonego CO 2 w czasie, w stosunku do całkowitej ilości wydzielonego gazu. Po zakończeniu procesu fermentacji próby poddano dwukrotnej destylacji i oznaczono zawartość etanolu metodą piknometryczną. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono wydajność praktyczną procesu fermentacji w stosunku do teoretycznej. Ponadto oznaczono ph płynów pofermentacyjnych oraz mikroskopowo stan fizjologiczny komórek droŝdŝy po fermentacji wyraŝony jako % udziału komórek pączkujących i barwiących się błękitem metylenowym. Wyniki i dyskusja Istotnym mankamentem biokonwersji skrobi na alkohol przez droŝdŝe jest konieczność wstępnego przygotowania surowca polegająca na kleikowaniu, upłynnianiu, a następnie scukrzaniu skrobi przy uŝyciu enzymów amylolitycznych [SOLAREK 2001; SŁOMIŃSKA i in. 2003; KAPELA, SOLAREK 2004]. Od wstępnych zabiegów technologicznych zaleŝy kinetyka fermentacji oraz jej końcowe efekty [RZEPKA i in. 1999]. Najbardziej energochłonne są dwa pierwsze etapy (kleikowanie i upłynnianie) ze względu na konieczność stosowania wysokich temperatur w dość długim czasie. Silne i długotrwałe ogrzewanie surowców roślinnych zawierających białko i węglowodany prowadzi z reguły do obniŝenia ich wartości ze względu na powstające produkty reakcji Maillarda, oporne na działanie enzymów amylolitycznych. W wysokiej temperaturze następuje takŝe karmelizacja cukrów, które nie podlegają procesowi fermentacji, a ich obecność jest niekorzystna dla komórek droŝdŝowych. Wysoka nieekonomiczność i straty jakości surowca wymuszają konieczność poszukiwania rozwiązań skracających czas przygotowania surowca skrobiowego [KARIMI i in. 2006; OHGREN i in. 2006, 2007]. Zastosowanie droŝdŝy o uzdolnieniach amylolitycznych pozwala na pominięcie etapu scukrzania oraz skrócenie czasu zacierania, a takŝe obniŝenie kosztów produkcji etanolu. Pierwsza faza procesu zacierania jest szczególnie waŝnym etapem, poniewaŝ zachodzą w niej istotne zmiany w składzie węglowodanów, decydujące o przebiegu i wydajności procesu fermentacji alkoholowej oraz czasie jej trwania [KŁOSOWSKI i in. 2001]. W literaturze fachowej wiele uwagi poświęca się równieŝ dynamice fermentacji zacierów gorzelniczych. DuŜa szybkość odfermentowania to jeden z warunków efektywności procesu, gwarantujący duŝą przepustowość gorzelni [KRISHNAN i in. 2000].
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH... 391 W badaniach własnych przebieg oraz efekty końcowe fermentacji zacieru ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem etapu scukrzania były uzaleŝnione od zastosowanego szczepu droŝdŝy. Czas fermentacji wynosił od 96 do 120 godzin. Dynamikę fermentacji wyraŝoną ilością wydzielonego CO 2 w czasie procesu z udziałem badanych droŝdŝy przedstawiono na rysunku 1. W pierwszej dobie procesu droŝdŝe wykazywały niską aktywność fermentacyjną. W tym czasie w badanych próbach wydzieliło się od 8 do 38% całkowitej ilości CO 2. Wraz z upływem czasu fermentacji obserwowano wzrost ilości wydzielonego gazu, przy czym jego ilość była znacznie zróŝnicowana i uzaleŝniona od zastosowanego szczepu droŝdŝy. Najlepszą dynamikę procesu obserwowano w próbach fermentowanych z udziałem hybrydów S2, R1 oraz droŝdŝy Saccharomyces diastaticus (2). Rys. 1. Dynamika wydzielania CO 2 podczas fermentacji zacierów ziemniaczanych Fig. 1. Dynamics of CO 2 release during potato mashes fermentation Jednym z najwaŝniejszych parametrów technologicznych gorzelni jest wydajność praktyczna etanolu. DąŜy się do jak najlepszego wykorzystania surowca dzięki optymalizacji warunków prowadzenia procesu, tj. stosowaniu optymalnych stęŝeń surowca, temperatur fermentacji czy najlepszego szczepu [ZBIEĆ 2002; WÓJCIK, CZUPRYŃSKI 2003; ALDIGUIER i in. 2004]. Wydajność praktyczną etanolu w stosunku do wydajności teoretycznej po zakończonej fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem droŝdŝy gorzelniczych w tym równieŝ amylolitycznych przedstawiono na rysunku 2. Wydajność fermentacji była bardzo zróŝnicowana kształtowała się na poziomie od 15 do 82%. Najlepszą wydajność etanolu obserwowano w próbach fermentowanych z udziałem hybrydów S2, R1, 5.1 oraz droŝdŝy Saccharomyces diastaticus (2). Kolejnym ocenianym w pracy parametrem było ph płynów pofermentacyjnych. Wyjściowa wartość ph zacieru została ustalona dla wszystkich badanych prób na poziomie 5,0. Po zakończonej fermentacji obserwowano spadek wartości omawianego parametru. Wartość końcowa ph płynów pofermentacyjnych mieściła się w zakresie od 3,6 do 4,6 (rys. 3).
392 J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska Rys. 2. Wydajność etanolu po fermentacji zacierów ziemniaczanych Fig. 2. Ethanol yield after potato mashes fermentation Rys. 3. Wartość ph po zakończonej fermentacji Fig. 3. The ph value after fermentation Podstawowym parametrem charakteryzującym kondycję droŝdŝy po zakończonej fermentacji jest ich stan fizjologiczny wyraŝony procentowym udziałem komórek pączkujących i nieaktywnych, co zobrazowano na rysunku 4. Po zakończonej fermentacji zacieru ziemniaczanego droŝdŝe charakteryzowały się wysokim udziałem komórek nieaktywnych, ich udział kształtował się na poziomie od 15 do 50%. NajwyŜszy udział komórek nieaktywnych wykazywały droŝdŝe fermentujące zaciery ziemniaczane z najwyŝszą wydajnością. Wyjątek stanowił hybryd S2 charakteryzujący się niskim udziałem komórek nieaktywnych. Udział komórek pączkujących mieścił się w zakresie od 10% do 34%.
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH... 393 Rys. 4. Udział komórek droŝdŝy pączkujących i nieaktywnych po fermentacji zacierów ziemniaczanych Fig. 4. The number of budding and inactive yeast cells after potato mashes fermentation Zastosowanie droŝdŝy o uzdolnieniach amylolitycznych pozwoliło na wyeliminowanie etapu scukrzania oraz na skrócenie czasu zacierania oraz uzyskanie dobrej wydajności procesu. Wnioski 1. Czas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem badanych droŝdŝy wynosił od 96 do 120 godzin. 2. Najlepszą dynamikę i wydajność etanolu obserwowano w podczas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem droŝdŝy Saccharomyces diastaticus, S2 i R1. 3. Po zakończonej fermentacji najlepszy stan fizjologiczny wykazywał szczep hybrydowy S2, charakteryzujący się najniŝszym udziałem komórek nieaktywnych. Literatura ALDIGUIER A.S., ALFENORE S., CAMELEYRE X., GOMA G., URIBELARREA J.L., GUILLOUET E.S., MOLINA-JOUVE C. 2004. Synergistic temperature and ethanol effect on Saccharomyces cerevisiae dynamic behaviour in ethanol bio-fuel production. Bioprocess Biosyst. Eng. 26: 217-222. ALPER H., MOXLEY J., NEVOIGT E., FINK G. R., STEPHANOPOULOS G. 2006. Engineering yeast transcription machinery for improved ethanol tolerance and production. Science Magazine 5805(314): 1565-1568. JAROSZ K. 1995. Perspektywa produkcji w Polsce bioetanolu jako składnika paliw silnikowych. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 9: 11. KAPELA T., SOLAREK L. 2004. Enzymy Novozymes dla gorzelnictwa - nowoczesne pre-
394 J. Kawa-Rygielska, J. Chmielewska, B. Foszczyńska paraty scukrzające z grupy SAN oraz enzymy pomocnicze. Przem. Ferm. i Owoc.- Warzyw. 5: 26-28. KARIMI K., EMTIAZI G., TAHERZADEH M.J. 2006. Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial Technology, 40: 138-144. KAWA-RYGIELSKA J. 2004. Obtaining hybrids of distillery yeasts characterized by ability of ferment starch. Electronic J. of Polish Agricultural Universities, Biotechnology 2(7). KŁOSOWSKI G. 2003. Technologie przyjazne środowisku. IX seminarium gorzelnicze SPG IBPRS, 12 VI, Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 7-8: 66. KŁOSOWSKI G., CZUPRYŃSKI B., SIELIWANOWICZ B., KOTARSKA K., WOLSKA M. 2001. Monitoring of sugar substrates utilization by D 2 and As 4 yeast and kinetics of by-products formation during alcoholic fementation of rye and corn mashes. Polish J. of Food and Nutrition Sci. 10/51(2): 19-24. KRISHNAN M.S., TAYLOR F., DAVISON B.H., NGHIEM N.P. 2000. Economic analysis of fuel ethanol production from corn starch using fluidized-bed bioreactors. Bioresource Technology 75: 99-105. KUPCZYK A., EKIELSKI A. 2002. Bioetanol - szansa dla polskiego rolnictwa. Wieś Jutra 5(46): 13-15. NOWACKI W. 2006. Ziemniaki - alternatywnym surowcem do produkcji bioetanolu. Chemia Przemysłowa BMP 4: 23-26. OHGREN K., BURA R., LESNICKI G., SADDLER J., ZACCHI G. 2007. A comparison between simultaneous saccharification and fermentation and separate hydrolysis and fermentation using steam-pretreated corn stover. Process Biochemistry 42: 834-839. OHGREN K., RUDOLF A., GALBE M., ZACCHI G. 2006. Fuel ethanol production from steampretreated corn stover using SSF at higher dry matter content. Biomass and Bioenergy 30: 863-869. PRASAD S., SINGH A., JOSHI H.C. 2007. Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues. Resources, Conservation and Recycling 1(50): 1-39. RZEPKA E., BADOCHA E., STECKA K. 1999. Wybrane aspekty kinetyki fermentacji alkoholowej zacierów sporządzonych metodą bezciśnieniową. Prace Instyt. i Labo. Bad. Przem. SpoŜ. 54: 33-49. SŁOMIŃSKA L., WIŚNIEWSKA D., GRZEŚKOWIAK A. 2003. Liquefaction of starch by thermostable alpha-amylase. Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria 2(2): 17-26. SOLAREK L. 2001. Kleikowanie i upłynnianie surowców skrobiowych niesłodowanych z zastosowaniem enzymów mikrobiologicznych Novozymes. Przem. Ferm. i Owoc.- Warzyw. 12: 10. STECKA K., MILEWSKI J.A., MIECZNIKOWSKI A.H. 1996. Energooszczędna technologia produkcji spirytusu surowego. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 10: 15-19. STECKA K., MILEWSKI J., GRZYBOWSKI R., MIECZNIKOWSKI A., ŁABĘTOWICZ J. 1998. Technologia produkcji spirytusu z surowców skrobiowych przyjazna środowisku, energooszczędna i bezodpadowa. Przem. SpoŜ. 10: 39-42. WÓJCIK M., CZUPRYŃSKI B. 2003. Sprawność energetyczna produkcji bioetanolu. Aktualne Problemy Gorzelnictwa Rolniczego: 25-29. ZBIEĆ M.A. 2002. Rozwój produkcji biopaliw szansą dla gorzelni rolniczych. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 5: 38.
FERMENTACJA ZACIERÓW ZIEMNIACZANYCH... 395 Słowa kluczowe: zacier ziemniaczany, fermentacja, etanol, droŝdŝe amylolityczne Streszczenie Celem pracy była ocena przebiegu i efektów końcowych fermentacji etanolowej zacieru ziemniaczanego przygotowanego z pominięciem etapu scukrzania przez droŝdŝe amylolityczne. Czas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem badanych droŝdŝy wynosił od 96 do 120 godz. Najlepszą dynamikę i wydajność etanolu obserwowano podczas fermentacji zacierów ziemniaczanych z udziałem droŝdŝy Saccharomyces diastaticus, S2 i R1. Po zakończonej fermentacji najlepszy stan fizjologiczny wykazywał szczep hybrydowy S2, charakteryzujący się najniŝszym udziałem komórek nieaktywnych. ETHANOL FERMENTATION OF POTATO MASHES USING AMYLOLYTIC YEAST Joanna Kawa-Rygielska, Joanna Chmielewska, Barbara Foszczyńska Department of Food Storage and Technology, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław Key words: potato mash, fermentation, ethanol, amylolytic yeast Summary The aim of the work was the determination of the course and final effect of ethanol fermentation of potato mashes using amylolytic yeast. The material for investigation was potato mashes prepared in a distillery without saccharification proces. The time of potato mashes fermentation was between 96-140 hours. The best dynamics and yield of ethanol were observed during the fermentation test conducted with the use of yeasts: Saccharomyces diastaticus, S2 and R1. The physiological condition of yeast after fermentation was the best for hybrid S2, in this case the lowest amount of inactive cells was observed. Dr inŝ. Joanna Kawa-Rygielska Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa Uniwersytet Przyrodniczy ul. CK. Norwida 25 50-375 WROCŁAW e-mail: Joanna.Kawa-Rygielska@wnoz.up.wroc.pl