بهینه‌سازی محیط‌کشت مخمر ساکارومایسس سروزیه با استفاده از شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد زیست‌فناوری میکروبی، دانشگاه پیام نور تهران شرق، تهران، ایران

2 دانشیار پژوهشکدۀ زیست‌فناوری، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

3 استادیار دانشگاه پیام نور تهران شرق، تهران، ایران

10.22108/bjm.2020.118286.1218

چکیده

مقدمه: ساکارومایسس سروزیه، مخمر اصلی در صنعت نانوایی است که در سراسر جهان استفاده می‌شود. ملاس یکی از پرکاربردترین منابع کربن برای تهیۀ محیط‌کشت مخمر نان است. طی سال‌های اخیر و با‌توجه‌به گسترش صنعت تخمیر و افزایش تقاضا برای منابع کربن و نیتروژن در این صنعت و کمبود مواد اولیه و گرانی آن، امکان استفاده از محصولات جانبی تولید‌شده در کارخانه‌های صنایع غذایی مدنظر قرار گرفته است.
مواد و روش‏‏ها: در پژوهش حاضر، استفاده از عصارۀ خیساندۀ ذرت (منبع نیتروژن) و شربت گلوکز (منبع کربن) مطالعه شد. میزان تولید زیست‌توده و فعالیت مخمر در قالب میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن و میزان مصرف قند در آزمون‌های جداگانه سنجیده شد. در تمام تیمارها، زمان تخمیر 16 ساعت، هم‌زدن روی شیکر با سرعت 150 دوردردقیقه و دمای 30 درجۀ سانتی‌گراد در نظر گرفته شد.
نتایج: در نقطۀ بهینه که مقدار نهایی شربت گلوکز 82/12 میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر و عصارۀ خیساندۀ ذرت 31/4 میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر تعیین شد، میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن 5/12 درصد افزایش یافت و زمان بالاآمدن خمیر از 25 دقیقه به 14 دقیقه کاهش یافت که مقادیر درخور توجهی است.
بحث و نتیجه‏گیری: به‌منظور جایگزین‌کردن منابع کربن و نیتروژن در محیط‌کشت مخمر، مقدار اولیۀ متغیرها با مطالعه و پژوهش انتخاب شد. باتوجه‌به کمبود ملاس چغندر که به‌تازگی در صنعت تخمیر ایران ظاهر شده است، سعی شد دو جایگزین ارزان‌قیمت و باارزش برای منابع کربن و نیتروژن معرفی شوند. نتایج نشان دادند استفاده از شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت نه‌تنها امکان‌پذیر است، بلکه بهتر از منابع مرسوم عمل می‌‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of a Culture Medium for the Production of Saccharomyces cerevisiae using Glucose Syrup and Corn Steep Liquor

نویسندگان [English]

  • Razieh Robatjazi 1
  • Mehrdad Azin 2
  • Nooshin Sohraby 3
1 Department of Biotechnology, Biology Faculty, Payam Noor University of Tehran East, Tehran, Iran
2 Department of Biotechnology, Iranian Research Organization for Science and Technology, Tehran, Iran
3 Department of Biotechnology, Biology Faculty, Payam Noor University of Tehran East, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Saccharomyces cerevisiae is the dominant yeast in the bakery industry used throughout the world. One of the most widely used sources of carbon for the bread yeast culture medium is molasses. In recent years, due to the expansion of the fermentation industries and the increased demand for carbon and nitrogen sources in these industries, and the shortage of raw materials and their high cost, the possibility of using by-products produced in food industry factories has been considered.
Materials and methods: In this study, the use of corn steep liquor as the nitrogen source and glucose syrup as the carbon source has been studied. The amount of biomass production and yeast activity was measured in the form of carbon dioxide gas production and sugar consumption in separate tests. In all treatments, the fermentation time was 16 hours, and stirring on a shaker was at 30 °C and 150 rpm.
Results: At the optimized point, where the amount of the glucose syrup and corn steep liquor was 12.82 mL/100 mL and 4.31 mL/100 mL, respectively, the amount of produced CO2 increased about 12.5%, and the time of rising of the dough reduced from 25 to 14 minutes showing a significant progress.
Discussion and conclusion: To replace the carbon and nitrogen sources in the yeast culture medium, the factors and their levels were selected from previous studies. Because of the shortage of sugar beet molasses, which has recently appeared in Iran's fermentation industry, we tried to introduce two cheap but still valuable replacements, for both the carbon and nitrogen sources. The result showed that using glucose syrup and corn steep liquor is not only feasible but also better than the conventional sources.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optimization
  • Saccharomyces cerevisiae
  • Corn steep liquor
  • Glucose syrup
  • Design of experiments

مقدمه

مخمرها موجودات تک‌سلولی بسیار کوچکی‌اند که ازنظر شکل ظاهری عموماً کروی، تخم‌مرغی‌شکل یا استوانه‌ای‌اند. هر سلول ساکارومایسس سروزیه[1] حدود 8 میکرون قطر و دیوارۀ دولایه‌ای دارد که دارای منافذی برای عبورومرور مواد است و از طریق آن، غذاهای اساسی به درون سلول راه می‌یابند و متابولیت‌های زائد از سلول خارج می‌شوند. دمای مناسب (دمای بهینۀ 25 تا 30 درجۀ سانتی‌گراد)، رطوبت و مواد غذایی کمترین نیازهای مخمر برای رشد مناسب به شمار می‌آیند و سرما فرایند رشد را کند می‌کند و از آن برای نگهداری و ذخیرۀ مخمرها استفاده می‌شود (1).

بسیاری از مواد غذایی با استفاده از مخمرها تهیه می‌شوند که نان یکی از مهم‌ترین آنهاست. در فرایند تولید نان، مخمرها از کربوهیدرات‌های موجود در آرد تغذیه می‌کنند. رشد مخمر مستلزم وجود اکسیژن کافی است. این گروه از قارچ‌ها به‌محض تغذیۀ مواد غذایی، دی‌اکسیدکربن در محیط آزاد می‌کنند و حباب‌های دی‌اکسیدکربن موجب افزایش حجم خمیر و درنتیجه، پخت بهتر نان می‌شوند. مخمرها مواد قندی را تخمیر می‌کنند و در این فرایند، اتانول و دی‌اکسیدکربن تولید می‌شود که موجب ورآمدن خمیر و درنتیجه، بهبود کیفیت نان می‌شوند؛ بنابراین، مخمرها نقش بسیار مهمی را در صنایع غذایی و تولید فراورده‌های مختلف بر عهده دارند و استفاده از ویژگی‌ها و قابلیت‌های این گروه از قارچ‌ها در تولید فراورده‌های مختلف موجب بهبود کیفی تولید می‌شود.

ساکارومایسس سروزیه مخمری اساسی است که در زیست‌فناوری در سراسر جهان استفاده می‌شود و به‌علت نقش کلیدی در تخمیر بسیاری از غذاها و فیزیولوژی منحصر‌به‌فرد، مصارف بسیار زیادی دارد؛ همچنین مدلی ابتدایی از موجودات یوکاریوتیک است که بسیار در مطالعه‌ها استفاده می‌شود. ساکارومایسس سروزیه در طبقه‌بندی جزو گروه آسکومایسس‌ها قرار دارد (2).

بررسی‌های بسیاری در زمینۀ تاریخ و فناوری صنعت نان و مخمر نانوایی انجام شده‌اند. در بین گونه‌ها، گونة ساکارومایسس سروزیه مهم‌ترین گونه‌ایست که مقادیر زیاد ساکارز را تحمل می‌کند و تحمل منجمدشدن و گرم‌شدن دوباره، استفادۀ سریع از مالتوز و تولید دی‌اکسید‌کربن زیاد را دارد. گونه‌های مخمر نان باید بتوانند به‌‌طور مؤثر از مالتوز استفاده کنند. گونه‌های مخمر نان که مقدار زیاد گلوکز را تحمل می‌کنند و مالتوز را به‌سرعت استفاده می‌کنند، به‌طور ژنتیکی توسعه یافته‌اند و استفادۀ تجاری دارند (2).

به‌طور‌کلی، مخمرها در دمای 25 تا 35 درجۀ سانتی‌گراد و در شرایط هوازی زندگی می‌کنند و کشت مخمر خالص در محیط با منابع کربن، نیتروژن، مواد معدنی و آب انجام می‌شود (3). فعالیت اصلی مخمر نان (ساکارومایسس سروزیه) در خمیر نان، تولید دی‌اکسید‌کربن از قند است. خمیر در محیط گرم و مرطوب قرار می‌گیرد و مخمر با تولید و تکثیر گاز دی‌اکسید‌کربن در طول تخمیر باعث افزایش حجم خمیر می‌شود (3).

امروزه، انواع مختلفی از ملاس وجود دارد و به‌طور‌کلی، هر مایعی که در اجزای تشکیل‌دهندۀ آن بیش از 43 درصد قند وجود داشته باشد، ملاس خوانده می‌شود؛ این قند عموماً ساکارز است. ترکیب ملاس بسیار متفاوت است و به مراحل تصفیۀ شکر، موقعیت آب‌وهوایی و فصل بستگی دارد. مخمر ساکارز را به دو مونوساکارید گلوکز و فروکتوز هیدرولیز و آن را به‌شکل منبع کربن در مسیرهای متابولیک خود استفاده می‌کند. ملاس چغندر یا نیشکر مادۀ اولیه و اصلی در تولید مخمر است که انتخاب آن به دو علت اصلی زیر برمی‌گردد:

1- مخمر به‌خوبی از قند موجود در ملاس استفاده و رشد می‌کند؛

2- استفاده از ملاس ازنظر اقتصادی به‌صرفه است؛ زیرا پسابی است که بدون انجام هیچ عملیاتی از تصفیۀ شکر به دست می‌آید.

ملاس نیشکر محصول جانبی کارخانۀ تولید شکر از نیشکر است که دست‌کم 46 درصد قند دارد و بریکس آن نباید کمتر از 5/79 درصد باشد (4). ملاس چغندر محصول جانبی تولید شکر از چغندر است که دارای دست‌کم 48 درصد قند و بریکس 5/79 است (5).

مقادیر ویتامین در ملاس‌های چغندر و نیشکر در جدول 1 آورده شده است. پژوهش‌ها نشان داده‌اند فرایندهای پردازشی سبب افزایش میزان ویتامین‌های مقاوم به گرما و قلیا در ملاس نهایی می‌شوند؛ علاوه‌بر ویتامین‌های یادشده در جدول 1، ملاس نیشکر حدود 6000 میلی‌گرم‌برکیلوگرم اینوزیتول، 800 میلی‌گرم‌برکیلوگرم نیاسین و 5 میلی‌گرم‌برکیلوگرم پیریدوکسین است (6).

 

جدول 1- مقادیر ویتامین در ملاس‌های چغندر و نیشکر (7)

ویتامین (میلی‌‌گرم‌برکیلوگرم)

ملاس چغندر

ملاس نیشکر

بیوتین

46/0

36/0

کولین

716

745

پنتوتنیک‌اسید

7

21

ریبوفلاوین

4/1

8/1

تیامین

‏-‏

‏9/0‏

شربت گلوکز مایعی شفاف، بی‏رنگ و شیرین است که از هیدرولیز آنزیمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ نشاستۀ ذرت به دست می‏آید و در صنایع مختلف کاربرد دارد. شربت گلوکز، محلول قندی غلیظ و تصفیه‌شده و یکی از بهترین جایگزین‏های شکر است که میزان شیرینی آن معادل 7/0 شیرینی شکر ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌است. شربت گلوکز در درجه‌های مختلفی وجود دارد که با شاخص‌های D.S (مادۀ جامد[2]) و D.E (معادل دکستروز[3]) مشخص می‌شوند. ضرورت استفاده از مخمر (ترکیب کلیدی در صنعت نانوایی) بر کسی پوشیده نیست و موضوع مهم در این زمینه، توانایی تولید گاز و قابلیت زنده‌مانی مخمر و ظرفیت بهینۀ نگهداری آن در خمیر است که پیش‌نیازهای اصلی برای تولید موفق نان هستند. گونه‌های صنعتی ساکارومایسس سروزیه تأثیر روشن و مهمی در مراحل صنعتی ازجمله تخمیر سریع و کامل گلوکز، افزایش تولید الکل و شکل‌گیری طعم‌ها و عطرهای مدنظر، توانایی استفاده از دی‌ساکارید‌ها، تری‌ساکارید‌ها و کاهش ویژگی کف‌کردن دارند؛ دیگر ویژگی‌های ژنتیکی و فنوتیپی گونه‌های صنعتی ساکارومایسس سروزیه به‌علت سازگارشدن با محیط صنعتی مانند کارخانه‌های آبمیوه‌گیری، شراب‌سازی و نانوایی‌ها و همچنین استفادۀ مداوم در مراحل صنعتی شکل گرفته‌اند (8).

هزینۀ محیط‌کشت در مراحل تخمیر یکی از عوامل اصلی است که پایداری اقتصادی را تأمین می‌کند و بسیار مهم است ترکیبات محیط‌کشت بتوانند تمام مواد غذایی لازم برای رشد و فعالیت خوب مخمر را با هزینۀ کم فراهم کنند. در سال‌های اخیر، افزایش قیمت ملاس به‌طور روزافزون در کشور ملاحظه شده است که این موضوع به‌علت ظهور رقبای مصرف‌کنندۀ ملاس و افزایش قیمت نهاده‌های اولیه در صنعت قند و شکر است. در چنین وضعیتی، خوشبختانه محصولات مشابهی در کشور وارد بازار شده‌اند که می‌توانند جایگزین ملاس پرتقاضا شوند. کارخانه‌های تولید‌کنندۀ شربت‌های گلوکز و فروکتوز که از هیدرولیز آنزیمی نشاسته به‌واسطۀ آلفا- آمیلاز و گلوکوآمیلاز برای تولید گلوکز و نهایتاً ایزومریزاسیون آن به فروکتوز به‌وسیلۀ گلوکزایزومراز استفاده می‌کنند، محصولات جانبی دیگری همچون شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت[4] تولید می‌کنند که به‌شکل منابع کربن و نیتروژن به‌ترتیب جایگزین ملاس و اوره در محیط‌های کشت صنعتی مخمر نان می‌شوند؛ ازاین‌رو، در مطالعۀ حاضر سعی شد با بهینه‌سازی محیط‌کشت مخمر ساکارومایسس سروزیه، ملاس و منابع نیتروژن حذف و شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت جایگزین آنها شوند.

 

مواد و روش‌ها

کشت و مدت نگهداری مخمر ساکارومایسس سروزیه: در پژوهش حاضر، سویۀ مخمر ساکارومایسس سروزیهIZ مخصوص نانوایی از شرکت اشپیگل مایر اتریش تهیه و استفاده شد. به‌منظور تکثیر و نگهداری اسلنت اولیه، ابتدا مخمر مادر در شرایط استریل روی اسلنت‌های حاوی محیط‌کشت YPG متشکل از 5/3 گرم پودر پپتون، 3 گرم عصارۀ مخمر، 2 گرم KH2PO4، 1 گرم MgSO4، 1 گرم (NH4)2SO4، 20 گرم گلوکز و 25 گرم آگار به روش خطی پاساژ و به‌مدت 48 ساعت در انکوباتور با دمای 30 درجۀ سانتی‌گراد قرار داده شد تا رشد مخمر کامل شود و کلنی‌های سفید مایل به شیری ظاهر شوند. کشت‌های مخمر در محیط مایع یادشده بدون آگار و با افزودن 20 درصد (v/v) گلیسرول در فریزر منفی 80 درجۀ سانتی‌گراد برای مدت طولانی نگهداری شدند.

محیط‌کشت ملاس که به‌طور معمول در کارخانه‌های صنعتی برای تولید مخمر نان استفاده می‌شود، ترکیبات زیر را دارد (بر حسب گرم در 100 میلی‌لیتر آب): ‏‏‎8/0 گرم (NH2)2CO، 035/0 گرم MgSO4، 20 گرم ملاس˛ 265/0 گرم (NH4)2HPO4، 008/0 گرم CuSO4.5H2O و 00011/0 گرم بیوتین. این محیط‌کشت برای مقایسه با محیط‌های طراحی‌شدۀ جایگزین در پژوهش حاضر استفاده شد.

سنجش فعالیت

سنجش فعالیت مخمر به سه روش زیر انجام شد:

آزمون افزایش حجم خمیر[5]: این روش بر پایۀ اندازه‌گیری افزایش حجم خمیر که در مزور انجام می‌شود، بنا شده است. در تمام آزمون‌ها، خمیر به روش پیشنهادشده در استاندارد ملی ایران به شمارۀ 2577 تهیه شد. خمیر به‌دست‌آمده در استوانۀ مدرج دهانه‌گشاد کاملاً صاف قرار داده شد و سطح اولیۀ خمیر (A1) یادداشت شد. درِ مزور با ورقۀ پلاستیکی و کِش به‌طور محکم بسته و مزور به‌مدت یک ساعت در انکوباتور با دمای 30 درجۀ سانتی‌‌گراد قرار داده شد؛ پس‌از یک ساعت، سطح خمیر (A2) دوباره یادداشت شد. میزان افزایش حجم خمیر طبق رابطۀ زیر محاسبه شد (9):

(A2-A1) ×100/A1

آزمون سرعت بالاآمدن[6]: در این روش، ایجاد حباب‌های دی‌اکسیدکربن درون خمیر که به سبک‌شدن و صعود آن به سطح آب منجر می‌شود، مبنای سنجش فعالیت مایۀ خمیر قرار می‌گیرد؛ به این منظور، ابتدا دمای بن ماری روی 40 درجۀ سانتی‌گراد تنظیم شد و به تعداد نمونه‌ها، بشر 200 میلی‌لیتری انتخاب و 150 میلی‌لیتر آب معمولی درون آنها ریخته شد. بشرها درون بنماری قرار داده شدند تا آب آنها به دمای 40 درجۀ سانتی‌گراد برسد و سپس خمیری که به‌شکل گلوله درآمده بود، درون بشر انداخته شد و زمان به سطح آب آمدن گلوله اندازه‌گیری شد (9).

آزمون اندازه‌گیری میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن[7]:این روش بر پایۀ اندازه‌گیری حجم گاز دی‌اکسید‌کربنی که مخمر در خمیر تولید می‌کند، قرار دارد. در این آزمون نیز ابتدا دمای بنماری روی 40 درجۀ سانتی‌گراد تنظیم و به تعداد نمونه‌ها، ارلن 250 میلی‌لیتری تهیه شد؛ سپس خمیر به‌شکل گلوله درآورده شد و درون ارلن انداخته شد، درِ ارلن با چوب‌پنبه به‌طور محکم بسته شد و ارلن درون بنماری قرار گرفت. مزور مدرج پلاستیکی که به انتهای آن شیر یا بست پلاستیکی متصل شده بود، به‌طور برعکس درون ظرف آب معمولی قرار داده شد و با لولۀ شیشه‌ای که قبلاً از وسط چوب‌پنبه عبور داده شده بود، بر سر ارلن قرار گرفت. شیلنگ سیلیکونی از یک سمت درون لولۀ شیشه‌ای قرار داده شد و از سوی دیگر درون مزور قرار گرفت (شکل 1). میزان جابه‌جایی آب پس‌از 120 دقیقه اندازه‌گیری شد.

به‌منظور جلوگیری از انحلال گاز دی‌اکسید‌کربن درون آب ظرف، اسیدیتۀ آب با استیک‌اسید 2 مولار به 5/3 رسانده شد (10).

سنجش قند: سنجش قند محیط در تمام مراحل به روش آنزیمی کیت گلوکز‌اکسیداز پارس‌آزمون ‏(شرکت پارس‌آزمون، تهران) طبق دستورعمل فروشنده انجام شد (11).

 

 

شکل 1- طرح سیستم اندازه‌گیری تولید گاز دی‌اکسید‌کربن

 

.تعیین غلظت بهینۀ شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت: شربت گلوکز (منبع کربن) با دو غلظت مختلف 14 و 95 درصد دکستروز از کارخانۀ زرفروکتوز (هشتگرد، استان البرز) به عنوان  جایگزین ملاس تهیه و استفاده شد. عصارۀ خیساندۀ ذرت با وزن خشک 52 درصد (وزن در حجم) نیز به عنوان  منبع نیتروژن و جایگزین اوره از کارخانۀ یادشده تهیه شد. نرم‌افزار مینی‌تب 17[8] برای طراحی آزمون‌ها و تحلیل نتایج استفاده شد. ابتدا روش پلاکت برمن برای تعیین عوامل مؤثر به کار گرفته شد و دو منبع مختلف قند و یک منبع نیتروژن تشکیل‌دهندۀ سه متغیر مستقل بودند که با بررسی مطالعه‌های گذشته واطلاعات موجود، دو سطح مختلف برای عوامل انتخاب شد (جدول 2). تیمارهای طراحی‌شده همراه با پاسخ‌های گرفته‌شده در بخش نتایج (جدول 4) نشان داده شده‌اند.


جدول 2- عوامل و سطوح استفاده‌شده در طراحی آزمایش پلاکت برمن

شربت گلوکز (DE=95)

(میلی‌لیتر بر 100 میلی‌لیتر)

شربت گلوکز (DE=14)

(میلی‌لیتر بر 100 میلی‌لیتر)

عصارۀ خیساندۀ ذرت

(میلی‌لیتر بر 100 میلی‌لیتر)

4

10

6

8

16

12

 

پس‌از مشخص‌شدن دو عامل مؤثر از بین سه عامل یادشده و برای دستیابی به سطح بهینۀ دو عامل (عصارۀ خیساندۀ ذرت و شربت گلوکز با DE=14)، بهینه‌سازی به روش RSM[9] از طریق مدل CCD[10] در نرم‌افزار مینی‌تب 17 انجام شد. هر عامل در پنج سطح بررسی شد که در جدول 3 مشخص شده است.

 

نتایج

در نخستین بخش پژوهش حاضر تلاش شد با استفاده از روش پلاکت برمن، مؤثرترین عوامل از بین سه عامل شربت گلوکز DE=95، شربت گلوکز DE=14 و عصارۀ خیساندۀ ذرت تعیین شوند. در جدول 2، عوامل همراه با سطوح تعیین‌شده در تیمارهای مختلف و نتایج آزمون‌ها بیان شده‌اند؛ باتوجه‌به این داده‌ها می‌توان میزان تأثیر عوامل را مشخص و عوامل مؤثر را همراه با سطوح بهینۀ آنها برای مراحل بعدی انتخاب کرد.


جدول 3- طراحی آزمایش RSM با عوامل انتخاب‌شده

تیمار

عصارۀ خیساندۀ ذرت

شربت گلوکز DE=14

1

17/3

10

2

8

8

3

82/8

10

4

6

10

5

6

82/12

6

6

10

7

4

12

8

6

17/7

9

4

8

10

6

10

11

6

10

12

8

12

13

6

10

 


 

جدول 4- طراحی تیمارها و نتایج در روش پلاکت برمن

پاسخ‌ها

عوامل

وزن خشک مخمر

(گرم در 100 میلی‌لیتر)

اسیدیتۀ نهایی

میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن (میلی‌لیتر در120 دقیقه)

افزایش حجم (درصد)

زمان بالا‌آمدن (دقیقه)1

شربت گلوکز DE=95 (میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر)

شربت گلوکز DE=14

(میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر)

عصارۀ خیساندۀ ذرت (میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر)

تیمارها

940/2

06/4

55

90/27

21

-

10

12

1

524/3

58/4

70

70/31

23

4

-

12

2

392/4

38/4

40

81/55

40

8

-

12

3

830/3

10/5

90

14/57

15

8

-

6

4

780/5

20/4

85

52/43

20

-

16

12

5

010/4

31/5

85

98/22

19

4

-

6

6

140/5

36/4

85

86/41

10

-

16

6

7

160/5

36/4

90

25/30

11

-

10

6

8

4/7

19/5

75

10/32

25

ملاس

-

(NH2)2CO

کنترل2

 

هرچه گلولۀ خمیر زودتر بالا بیاید، فعالیت بهتر مخمر را نشان می‌دهد. ترکیب محیط‌کشت شاهد: ‏‏‎8/0 گرم (NH2)2CO، 035/0 گرم MgSO4.7H2O، 20 گرم ملاس˛ 265/0 گرم (NH4)2HPO4، 008/0 گرم CuSO4.5H2O و 11/0 میلی‌گرم بیوتین در100 میلی‌لیتر آب. میزان قند محیط پس‌از کشت در تمام تیمارها برابر صفر بود.

در مرحلۀ بعد برای رسیدن به نقطه بهینۀ نهایی، طراحی به روش RSM انجام شد و باتوجه‌به نتایج مرحلۀ پلاکت برمن و انتخاب عوامل مؤثر و سطوح نزدیک به نقطۀ بهینه، تمام آزمون‌ها انجام شدند که نتایج آنها در جدول 5 آورده شده است.

 

جدول 5- عوامل منتخب در طراحی RSM همراه با نتایج آزمون‌های انجام‌شده

پاسخ‌ها

عوامل

وزن خشک (گرم در100 میلی‌لیتر)

میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن (میلی‌لیتر در 120 دقیقه)

افزایش حجم (درصد)

زمان بالا‌آمدن (دقیقه)

شربت گلوکز DE=14

عصارۀ خیساندۀ ذرت

تیمارها

376/4

80

36/36

22

10

17/3

1

642/4

65

51/46

24

8

8

2

004/5

60

58/30

26

10

2/8

3

668/4

85

23/30

18

10

6

4

410/5

85

65/53

20

8/12

6

5

416/5

95

52/59

16

12

4

6

222/4

80

50/72

15

7/17

6

7

056/5

70

77/77

23

8

4

8

347/4

80

18/43

15

12

8

9

 

بررسی‌ها نشان دادند در آزمون اندازه‌گیری میزان گاز دی‌اکسید‌کربن، جایگزین‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت در محیط ملاس تأثیر معناداری بر فعالیت مخمر دارد (P value=0.003)، اما شربت گلوکز تأثیر چندانی بر فعالیت مخمر ندارد (P value=0.125).

در آزمون سنجش وزن تر مخمر، جایگزین‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت در محیط‌کشت ملاس تأثیر چندانی برفعالیت مخمر نداشت (P value=0.134)، اما افزودن شربت گلوکز به‌جای ملاس بسیار مؤثر بود (P value=0.000).

در آزمون زمان بالا‌آمدن، فعالیت بیشتر مخمر با تولید بیشتر گاز دی‌اکسید‌کربن همراه است و سبب بالاآمدن سریع‌تر گلولۀ خمیر از تهِ ظرف می‌شود. در این آزمون، جایگزین‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت به‌جای اورۀ صنعتی در محیط ملاس تأثیر معناداری داشت (P value= 0.009)، اما افزودن شربت گلوکز (منبع کربن) اثر معناداری نداشت (P value=0.280).

در آزمون افزایش حجم خمیر، افزودن عصارۀ خیساندۀ ذرت به‌جای اورۀ صنعتی و شربت گلوکز به‌جای ملاس در محیط‌کشت ملاس تأثیر معناداری بر تولید گاز دی‌اکسید‌کربن نداشت (به‌ترتیب P value=0.745 و P value =0.614).

 

بحث و نتیجه‌گیری

استفاده از شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت به‌جای ملاس و اوره سبب افزایش میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن می‌شود. عصارۀ خیساندۀ ذرت با میزان 31/4 میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر و شربت گلوکز نوع (DE=14) A به مقدار 82/12 میلی‌لیتر در 100 میلی‌لیتر تأثیر مثبتی در میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن و فعالیت مخمر داشتند. همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است، تولید گاز دی‌اکسید‌کربن در آزمون اندازه‌گیری میزان تولید گاز به 5/87 درصد و در آزمون افزایش حجم خمیر به 70/61درصد افزایش یافت و طی آزمونسرعت بالاآمدن خمیر، زمان به 33/14 دقیقه کاهش یافت؛ اما وزن خشک مخمر با جایگزین‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت و شربت گلوکز کاهش یافت و از 4/7 به 45/5 (گرم در 100میلی‌لیتر) رسید.

نتایج پژوهش حاضر نشان دادند عصارۀ خیساندۀ ذرت (منبع نیتروژن) می‌تواند جایگزین اورۀ صنعتی و ملاس در محیط‌کشت شود. باتوجه‌به اینکه عصارۀ خیساندۀ ذرت ترکیبات بسیار متنوعی دارد، اضافه‌کردن آن به محیط‌کشت سبب افزوده‌شدن مقدار زیادی از عناصر میکرو و ویتامین‌ها به محیط می‌شود و مخمر می‌تواند این مواد را استفاده کند؛ درنتیجه، نیازی به اضافه‌کردن جداگانۀ این ترکیبات به محیط‌کشت مخمر وجود نخواهد داشت.

در پژوهش حاضر با حذف ملاس از محیط‌کشت و با‌توجه‌به میزان قند کم موجود در عصارۀ خیساندۀ ذرت، نیاز به اضافه‌کردن منبع کربن به محیط‌کشت احساس شد؛ ازاین‌رو، شربت گلوکز که یکی دیگر از محصولات جانبی کارخانۀ تولید روغن ذرت است، انتخاب شد.

در پژوهش حاضر با تحلیل‌های انجام‌شده توانستیم به سطح مدنظر از هر دو عامل به‌طور هم‌زمان برسیم و محیط‌کشت کاملی ازنظر منبع کربن و نیتروژن تهیه کنیم که افزایش عملکرد و افزایش کیفیت زیست‌تودۀ مخمر را به همراه داشته باشد.

در جدول 6، نقطۀ بهینۀ پیشنهاد‌شدۀ نرم‌افزار همراه با پیش‌بینی نتایج آزمون‌ها آمده است؛ این نقطه، سطح بهینۀ نهایی برای عوامل در نظر گرفته شد و تمام آزمون‌ها با محیط‌کشت بهینه‌شده تکرار و نتایج با محیط‌کشت ملاس مقایسه شدند.

 

 

جدول 6- پاسخ بهینۀ پیش‌بینی‌شدۀ نرم‌افزار و نتایج تجربی

عوامل

نتایج پیش‌بینی‌شده

نتایج تجربی

گلوکز

83/12

میزان تولید گاز دی‌اکسید‌کربن (میلی‌لیتر در 120 دقیقه)

48/93

85

افزایش حجم خمیر (درصد)

20/67

70/61

عصارۀ خیساندۀ ذرت

30/4

زمان بالاآمدن خمیر (دقیقه)

61/17

14

 

 

بررسی نتایج نشان می‌دهد جایگزین‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت و شربت گلوکز در محیط‌کشت ملاس به‌جای ملاس و اورۀ صنعتی تأثیر زیادی در تولید گاز دی‌اکسید‌کربن و فعالیت مخمر دارد. باتوجه‌به استفادۀ گسترده از ملاس در دیگر صنایع ازجمله صنعت الکل‌کشی و محدودبودن منابع اولیه، استفاده از جایگزینی که ارزان‌تر و در منطقه در دسترس باشد، می‌تواند در راستای ارتقای رقابت صنعتی به کار گرفته شود (12). ضایعات کشاورزی ازجمله منابع غنی از کربوهیدراتند که چنانچه از آنها به‌درستی استفاده شود، می‌توان این مواد دورریز را به مواد باارزشی تبدیل کرد که در صنایع تخمیری ازجمله تولید مخمر نانوایی به کار می‌روند و جایگزین مناسبی ازنظر قیمت و دسترسی نسبت به ملاس به شمار می‌آیند؛ اما باید توجه داشت اگرچه کربوهیدرات‌ها یا قندها ازجمله فراوان‌ترین مواد آلی روی کرۀ زمین به‌عنوان منبع کربن هستند، محدودیت‌های استفاده از آنها برای پیش‌مادۀ خمیرمایه عبارتند از:

ü            اشکال مختلف کربوهیدرات‌ها (مونوساکاریدها، الیگوساکاریدها، دی‌ساکاریدها، پلی‌ساکاریدها و قندهای دیگر) و ضرورت تبدیل آنها به قند قابل‌استفاده برای مخمر؛

ü                   صرفۀ اقتصادی جریان تبدیل و تولید قند قابل‌مصرف مخمر؛

ü                  محدودیت‌های جمع‌آوری و دسترسی به منابع؛

ü                  وجود عوامل بازدارندۀ رشد و تولید خمیرمایه (13).

بنابراین بررسی جامع منابع کربوهیدراتی که دارای کمترین محدودیت استفاده باشند، اهمیت دارد.

در پژوهش حاضر تلاش شد عصارۀ خیساندۀ ذرت و شربت گلوکز به‌جای ملاس و اورۀ صنعتی در محیط‌کشت استفاده شود که هم صرفۀ اقتصادی داشته باشد و هم به‌علت اینکه عصارۀ خیساندۀ ذرت ماده‌ای طبیعی است، انتظار می‌رود در جایگزینی به‌‌جای اورۀ صنعتی در فعالیت مخمر مؤثرتر باشد.

در پژوهش حاضر، مقدار هر دو عامل با تحلیل‌های انجام‌شده بهینه شد و محیط‌کشت کاملی ازنظر منبع کربن ونیتروژن تهیه شد که نه‌تنها افزایش عملکرد و کیفیت زیست‌تودۀ مخمر را به همراه دارد، ازنظراقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه است.

ایجیفور[xi] و همکاران مطالعاتی در زمینۀ کیفیت مخمر نانوایی تولید‌شده روی هیدرولیز نشاستۀ کاساوا انجام دادند. آنها نشاستۀ کاساوا را با استفاده از حرارت و آنزیم هیدرولیز و سپس با رشد مخمر به‌مدت 28 ساعت، شاخص‌های سینتیک رشد آن را بررسی کردند. آنها دریافتند تفاوت معناداری بین توانایی تولید گاز توسط مخمر رشدیافته روی نشاستۀ کاساوا و مخمر تجاری وجود ندارد و هیدرولیز نشاستۀ ضایعات کاساوا جایگزین کم‌هزینه و مناسبی برای گلوکز در تولید مخمر نانوایی با کیفیت مطلوب است (14).

 

 

شکل 2- نمودار مقایسۀ فعالیت مخمر تولیدشده در محیط‌کشت ملاس و محیط بهینه‌شده

 

چامپگنی[xii] رشد ساکارومایسس سروزیهرا روی آب پنیر هیدرولیزشده به‌واسطۀ آنزیم مطالعه و از محلول سولفات‌آمونیوم وعصارۀ خیساندۀ ذرت به‌عنوان منابع نیتروژن برای رشد مخمر استفاده کرد. او آزمایش‌های خود را در اسیدیته‌های مختلف انجام داد و به رشد مطلوب مخمر نانوایی روی آب پنیر هیدرولیزشده با استفاده از محلول خیساندۀ ذرت (منبع نیتروژن) در اسیدیتۀ 5 تا 6 رسید (15).

اسپینگو[xiii] و همکاران طی پژوهشی در سال 2009، شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت را به‌شکل منبعی از پروتئین‌ها، ویتامین‌ها و عناصر معدنی جایگزین ملاس کردند؛ به این منظور، تخمیرهای فدبچ[xiv] با حجم ثابت برای بررسی اثر شربت گلوکز جایگزین ملاس در غلظت‌های صفر، 30، 60 و 100 درصد انجام شدند. نتایج باتوجه‌به رشد زیست‌توده، ضریب تبدیل پیش‌ماده به زیست‌توده، بازده زیست‌توده به‌ازای نیتروژن و فسفر (به‌شکل P2O5) ارزیابی شدند. در غلظت 100 درصد از مخلوط ملاس چغندر و نیشکر استفاده شد و عناصر نیتروژن، فسفر، بیوتین، تیامین، اینوزیتول، تیکوتینیک‌اسید، پیرودوکسین و روی با افزودن عصارۀ خیساندۀ ذرت و احتساب ترکیبات آنها اضافه شدند. ارزیابی تأثیر قند ملاس که با شربت گلوکز جایگزین شده بود به‌اضافۀ عصارۀ خیساندۀ ذرت نشان داد محیط‌کشتی که حاوی ملاس با غلظت 60 درصد باشد، به کاهش محتوای نیتروژن زیست‌توده منجر می‌شود و در محیط‌کشتی که شربت گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت موجود باشد، میزان و کیفیت زیست‌تودۀ به‌دست‌آمده تقریباً مانند زیست‌تودۀ حاصل از ملاس است. هنگامی که شربت گلوکز به‌طور کامل جایگزین شد و با اضافه‌کردن عصارۀ خیساندۀ ذرت، محیط‌کشت کامل و عملکرد زیست‌تودۀ بیشتری مشاهده شد (16). نتایج یادشده یافته‌های پژوهش حاضر را تأیید می‌کنند.

 

سپاسگزاری

انجام پژوهش حاضر مدیون پژوهشکدۀ زیست‌فناوری سازمان پژوهش‌ها برای دراختیارگذاردن امکانات آزمایشگاهی و همکاران آزمایشگاه میکروبیولوژی صنعتی به‌ویژه سرکار خانم اصفهانی بلندبالایی است؛ همچنین از شرکت زرفروکتوز به‌ویژه سرکار خانم مهندس غلامی برای تأمین شربت‌های گلوکز و عصارۀ خیساندۀ ذرت سپاسگزاری می‌شود.

(1)  Ali A., Shehzad A., Khan MR., Shabbir MA., Amjid MR. Yeast, its types and role in fermentation during bread making process-A. Pakistan Journal of Food Sciences 2012; 22(3): 171-179.
(2) Johnson EA., Echavarri-Erasun C. Yeast biotechnology. In: Kurtzman CP., Fell JW., Boekhout T. editors. The yeasts: A taxonomic study. 5th ed. Amsterdam: Elsevier; 2011: 21-63.
(3) Huang WC., Tang IC. Bacterial and yeast cultures-process characteristics, products, and applications. In: Yang S-T. editor Bioprocessing for value-added products from renewable resources. Dublin: Elsevier; 2007: 185-223.
(4) Fishell V., Aberle E., Judge M., Perry T. Palatability and muscle properties of beef as influenced by preslaughter growth rate. Journal of Animal Science 1985; 61(1): 151-157.
(5) Gulshan A. Bioethanol and recombinant proteins production from milk whey and molasses. Spain: Universidade da Coruña; 2014.
(6) Elshreef AY. Effect of molasses levels source of energy on broiler performance. Sudan: University of Scence and Technology; 2005.
(7) Curtin LV. Molasses-general considerations. Molasses in Animal Nutrition 1983: 1-10.
(8) ISIRI 2577: 1998, Revision 2nd 2003. Baker's yeast -Specifications and test methods.
(9) Peighambardoust S., Fallah E., Hamer R., Van der Goot A. Aeration of bread dough influenced by different way of processing. Journal of cereal science 2010; 51(1): 89-95.
(10)           Visvanathan R., Jayathilake C., Liyanage R. A simple microplate-based method for the determination of α-amylase activity using the glucose assay kit (GOD method). Food Chemistry 2016; 211: 853-859.
 
(11)           Keturah I., Sandrasegarampillai B., Arasaratnam V. Baker’s yeast biomass production with rice as carbon and soy meal as nitrogen sources. Malaysian Journal of Microbiology 2014; 10(3): 205-214.
(12)           Pagani MA., Bottega G., Mariotti M. Technology of baked goods. In: Gobbetti M., Gänzle M. editors. Handbook on sourdough biotechnology. Boston, MA: Springer; 2013: 47-83.
(13)           Ejiofor AO., Chisti Y., Moo-Young M. Culture of Saccharomyces cerevisiae on hydrolyzed waste cassava starch for production of baking-quality yeast. Enzyme and Microbial Technology 1996; 18(7): 519-525.
(14)           Champagne C., Goulet J., Lachance R. Production of bakers' yeast in cheese whey ultrafiltrate. Applied and Environmental Microbiology 1990; 56(2): 425-430.
(15)           Spigno G., Fumi M., De Faveri D. Glucose syrup and corn steep liquor as alternative to molasses substrates for production of baking-quality yeast. Chemical Engineering Transactions 2009; 17: 843-848.
(16)           Marsden WL., Gray PP., Nippard GJ., Quinlan MR. Evaluation of the DNS method for analysing lignocellulosic hydrolysates. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 1982; 32(7‐12): 10-16.