Επίδραση συνθηκών στο ρυθμό πρόσληψης λακτόζης από το kefir στη ζύμωση τυρογάλακτος με χρήση 14C-επισημασμένης λακτόζης

Abstract

Τhe present work shows the relation between kefir fermentation ability and carbohydrate uptake rate. This was examined in a model system containing kefir co-culture and lactose in order to study fermentation induced by yeasts and bacteria at the same time. Lactose uptake rate was recorded by using 14C-labelled lactose. The effect of lactose and temperature, pH and biomass concentration on lactose fermentation was examined. Results have shown increase of lactose uptake rate at lower cell concentrations. Likewise, give the light that the increase of the fermentation rate by immobilized cells can be attributed also, in addition to other factors, to lower cell concentration on the surface of the support or of the promoter. Besides, it is shown that the effect of pH value on the biochemical reactions, carried out by intracellular enzymes can be attributed, except to the effect of pH on enzyme ability, in addition to the effect of pH on carbohydrate uptake rate. These results were used in order the conditions for the conversion of the wasted cheese whey to a value product by kefir culture to be examined. Whey consists of proteins, fats and mainly carbohydrates (lactose~5%) and is a grave environmental pollutant in Greece. Due to the fact that the fermentation rate depends on lactose uptake rate, this study aims on determining pH, temperature and cell concentration effect on lactose uptake rate by kefir cells during whey fermentation, using 14C-labelled lactose. Results have shown that maximum values of lactose uptake by cells during whey fermentation were observed at pH 5.5 value, temperature of 30 0C and cells concentration of 40 g/L. Also, at the same conditions the highest ethanol productivity and yield were observed. So, it was clear that kefir culture was suitable for whey fermentation in order to reduce whey pollutant load and produce useful products as ethanol. Furthermore lactose uptake rate by kefir immobilized on tubular cellulose and gluten pellets during fermentation of lactose and whey was monitored using 14C labelled lactose. Results illustrated that in all cases lactose uptake rate was strongly correlated to fermentation rate and fermentation’s kinetic parameters were improved by kefir entrapped in tubular cellulose, resulting to two fold faster fermentations in comparison with kefir immobilized on gluten. This is probably due to cluster and hydrogen bonds formation between cellulose and inhibitors, such as Ca++ and generated lactic acid, by which they leave the liquid medium. The impact of findings in research and development are: (i) application of promotional effect in industrial whey fermentation, (ii) development of research project to study biochemical processes by the presence of promoting biopolymers, (iii) use of biopolymers to produce nano- and micro-composites and therefore new materials, (iv) development of a new method for nano- and micro-tubing of biopolymers.

Η διατριβή αυτή μελετά τη σχέση μεταξύ της ζυμωτικής ικανότητας του κεφίρ και του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης από αυτό. Αυτή η σχέση εξετάστηκε σε ένα σύστημα ζυμώσεων συνθετικών μέσων λακτόζης με κεφίρ όπου δηλαδή συμμετέχουν ταυτόχρονα και ζύμες και βακτήρια. Ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ παρακολουθήθηκε με την χρήση 14C-λακτόζης και εξετάστηκε η επίδραση της συγκέντρωσης λακτόζης, της θερμοκρασίας, του pH και της συγκέντρωσης βιομάζας σε αυτόν. Τα αποτελέσματα έδειξαν αύξηση του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις κυττάρων οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η αύξηση στο ρυθμό της ζύμωσης, που παρατηρείται από ακινητοποιημένα κύτταρα, μπορεί να οφείλεται επίσης και στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις των κυττάρων στην επιφάνεια του υποστρώματος ή του προωθητή. Επιπλέον, φαίνεται ότι η επίδραση του pH στις βιοχημικές αντιδράσεις, οι οποίες πραγματοποιούνται από ενδοκυτταρικά ένζυμα, οφείλονται και στην επηρεασμό του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης εκτός της δραστικότητας των ενζύμων. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθούν οι συνθήκες της μετατροπής του τυρογάλακτος από το κεφίρ σε χρήσιμα προϊόντα. Το τυρόγαλα αποτελείται από πρωτεΐνες, λίπος και κυρίως από υδατάνθρακες (λακτόζη 5%) και συνιστά για την Ελλάδα ένα σημαντικό περιβαλλοντικό ρύπο. Εξαιτίας του γεγονότος ότι ο ρυθμός της ζύμωσης της λακτόζης εξαρτάται από το ρυθμό πρόσληψης αυτής από το κεφίρ στη διατριβή προσδιορίσθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας, του pH και της συγκέντρωσης της βιομάζας στο ρυθμό πρόσληψης της λακτόζης κατά την διάρκεια της ζύμωσης του τυρογάλακτος με κεφίρ χρησιμοποιώντας 14C-λακτόζη. Η διατριβή αυτή μελετά τη σχέση μεταξύ της ζυμωτικής ικανότητας του κεφίρ και του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης από αυτό. Αυτή η σχέση εξετάστηκε σε ένα σύστημα ζυμώσεων συνθετικών μέσων λακτόζης με κεφίρ όπου δηλαδή συμμετέχουν ταυτόχρονα και ζύμες και βακτήρια. Ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ παρακολουθήθηκε με την χρήση 14C-λακτόζης και εξετάστηκε η επίδραση της συγκέντρωσης λακτόζης, της θερμοκρασίας, του pH και της συγκέντρωσης βιομάζας σε αυτόν. Τα αποτελέσματα έδειξαν αύξηση του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις κυττάρων οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η αύξηση στο ρυθμό της ζύμωσης, που παρατηρείται από ακινητοποιημένα κύτταρα, μπορεί να οφείλεται επίσης και στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις των κυττάρων στην επιφάνεια του υποστρώματος ή του προωθητή. Επιπλέον, φαίνεται ότι η επίδραση του pH στις βιοχημικές αντιδράσεις, οι οποίες πραγματοποιούνται από ενδοκυτταρικά ένζυμα, οφείλονται και στην επηρεασμό του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης εκτός της δραστικότητας των ενζύμων. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθούν οι συνθήκες της μετατροπής του τυρογάλακτος από το κεφίρ σε χρήσιμα προϊόντα. Το τυρόγαλα αποτελείται από πρωτεΐνες, λίπος και κυρίως από υδατάνθρακες (λακτόζη 5%) και συνιστά για την Ελλάδα ένα σημαντικό περιβαλλοντικό ρύπο. Εξαιτίας του γεγονότος ότι ο ρυθμός της ζύμωσης της λακτόζης εξαρτάται από το ρυθμό πρόσληψης αυτής από το κεφίρ στη διατριβή προσδιορίσθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας, του pH και της συγκέντρωσης της βιομάζας στο ρυθμό πρόσληψης της λακτόζης κατά την διάρκεια της ζύμωσης του τυρογάλακτος με κεφίρ χρησιμοποιώντας 14C-λακτόζη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο υψηλότερος ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ παρατηρήθηκε σε pH 5,5 θερμοκρασία 30 0C και συγκέντρωση κυττάρων 40 g/L. Επίσης, στις ίδιες συνθήκες παρατηρήθηκε η μεγαλύτερη παραγωγικότητα και συγκέντρωση της αιθανόλης. Έτσι, είναι φανερό ότι η καλλιέργεια του κεφίρ είναι κατάλληλη για τη ζύμωση του τυρογάλακτος με σκοπό να μειωθεί το ρυπαντικό του φορτίο και να παραχθούν χρήσιμα προϊόντα όπως η αιθανόλη. Περαιτέρω μελετήθηκε ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από κύτταρα κεφίρ ακινητοποιημένα σε σωληνωτή κυτταρίνη και γλουτένη κατά την διάρκεια της ζύμωσης συνθετικών μέσων λακτόζης και τυρογάλακτος χρησιμοποιώντας 14C-λακτόζη.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε όλες τις περιπτώσεις ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης ήταν συσχετισμένος με τον ρυθμό της ζύμωσης και ότι οι κινητικές παράμετροι ήταν βελτιωμένοι όταν το κεφίρ ήταν ακινητοποιημένο σε σωληνωτή κυτταρίνη. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα οι ζυμώσεις αυτές να γίνονται δύο φορές γρηγορότερα σε σχέση με τις ζυμώσεις με κεφίρ ακινητοποιημένο σε γλουτένη. Αυτό πιθανόν οφείλεται στο σύμπλεγμα και στους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ της κυτταρίνης και των αναστολέων της ζύμωσης, όπως το ασβέστιο και το παραγόμενο γαλακτικό οξύ και τα οποία με αυτό τον τρόπο εγκαταλείπουν το υγρό της ζύμωσης. Ο αντίκτυπος από αυτά τα ευρήματα στην έρευνα και στην ανάπτυξη είναι: (i) εφαρμογή της προωθητικής αυτής ικανότητας των φορέων ακινητοποίησης στην ζύμωση του τυρογάλακτος, ii) την ανάπτυξη του ερευνητικού προγράμματος για τη μελέτη βιοχημικών διεργασιών με την παρουσία προωθητικών βιοπολυμερών, (iii) τη χρήση των βιοπολυμερών για την παραγωγή νέων νάνο-και μικρο-υλικών και (iv ) ανάπτυξη Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο υψηλότερος ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ παρατηρήθηκε σε pH 5,5 θερμοκρασία 30 0C και συγκέντρωση κυττάρων 40 g/L. Επίσης, στις ίδιες συνθήκες παρατηρήθηκε η μεγαλύτερη παραγωγικότητα και συγκέντρωση της αιθανόλης. Έτσι, είναι φανερό ότι η καλλιέργεια του κεφίρ είναι κατάλληλη για τη ζύμωση του τυρογάλακτος με σκοπό να μειωθεί το ρυπαντικό του φορτίο και να παραχθούν χρήσιμα προϊόντα όπως η αιθανόλη. Περαιτέρω μελετήθηκε ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από κύτταρα κεφίρ ακινητοποιημένα σε σωληνωτή κυτταρίνη και γλουτένη κατά την διάρκεια της ζύμωσης συνθετικών μέσων λακτόζης και τυρογάλακτος χρησιμοποιώντας 14C-λακτόζη.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε όλες τις περιπτώσεις ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης ήταν συσχετισμένος με τον ρυθμό της ζύμωσης και ότι οι κινητικές παράμετροι ήταν βελτιωμένοι όταν το κεφίρ ήταν ακινητοποιημένο σε σωληνωτή κυτταρίνη. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα οι ζυμώσεις αυτές να γίνονται δύο φορές γρηγορότερα σε σχέση με τις ζυμώσεις με κεφίρ ακινητοποιημένο σε γλουτένη. Αυτό πιθανόν οφείλεται στο σύμπλεγμα και στους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ της κυτταρίνης και των αναστολέων της ζύμωσης, όπως το ασβέστιο και το παραγόμενο γαλακτικό οξύ και τα οποία με αυτό τον τρόπο εγκαταλείπουν το υγρό της ζύμωσης. Ο αντίκτυπος από αυτά τα ευρήματα στην έρευνα και στην ανάπτυξη είναι: (i) εφαρμογή της προωθητικής αυτής ικανότητας των φορέων ακινητοποίησης στην ζύμωση του τυρογάλακτος, ii) την ανάπτυξη του ερευνητικού προγράμματος για τη μελέτη βιοχημικών διεργασιών με την παρουσία προωθητικών βιοπολυμερών, (iii) τη χρήση των βιοπολυμερών για την παραγωγή νέων νάνο-και μικρο-υλικών και (iv ) ανάπτυξη νέων μεθόδων για την παραγωγή νάνο-και μικρο-σωλήνων από βιοπολυμερή.