Штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae, используемый для сбраживания мелассного сусла в производстве этилового спирта и хлебопекарных дрожжей

 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к микробиологическому синтезу, и представляет собой новый штамм дрожжей, используемый для сбраживания мелассного сусла в производстве этилового спирта и хлебопекарных дрожжей. Из спиртового цеха Онежского гидролизного завода выделен новый штамм спиртовых дрожжей Sacchаromyces cerevisiaе ОН-1, задепонированный во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов института "ГосНИИгенетика" под номером ВКПМ У-2492. Штамм сбраживает кроме гексоз пентозы (ксилозу и арабинозу), обладает очень высокой скоростью роста (удельная скорость роста равна 0,25-0,33 ч^-1); растет в широких пределах рН и температуры (рН 3,8-5,5; t = 28-36^oС). Выдерживает повышенные концентрации гипохлорита кальция в среде - до 5 мг/л по активному хлору. Сбраживает высококонцентрированные мелассные рассиропки с содержанием сухих веществ 28-30%, синтезируя при этом до 11 об. % спирта, а также хлебопекарные дрожжи. Обеспечивает накопление почкующихся клеток с высокой физиологической активностью в дрожжегенераторе до 500-530 млн. кл/мл, что соответствует 60%. Использование предлагаемого штамма дрожжей Sacchаromyces cerevisiaе ОН-1 ВКПМ У-2492 позволяет обеспечить высокий выход этилового спирта и хлебопекарных дрожжей. 1 табл.

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к спиртовой, и представляет собой новый штамм дрожжей, используемый для микробиологического получения этилового спирта и хлебопекарных дрожжей при сбраживании мелассного сусла повышенной концентрации.

Известен гибридный штамм Saccharomyces cerevisiae Meyen ВКПМ-У-1330 (1), используемый для получения хлебопекарных дрожжей и этанола на мелассе.

Недостатком известного штамма является недостаточно высокий выход спирта и более низкие концентрации сбраживаемого мелассного сусла, поскольку основной целью указанного изобретения являлось улучшение хлебопекарных свойств дрожжей.

Наиболее близким к заявляемому штамму по технологическим показателям является известный штамм Saccaharomyces cerevisiae ЦМПМ-У-563 (2).

Этот штамм способен интенсивно сбраживать мелассное сусло с более высоким содержанием сухих веществ (24-26%). При этом увеличивается выход спирта, а дрожжевые клетки в дрожжегенераторе имеют высокую степень почкующихся клеток (55,5-56,5%).

Недостатком известного штамма ЦМПМ-У-563 является недостаточно полное сбраживание введенного сахара и как следствие недостаточно высокий выход спирта и хлебопекарных дрожжей.

Задача, стоящая перед разработчиками, заключалась в селекции нового штамма, способного интенсивно сбраживать мелассное сусло с высоким содержанием сухих веществ (25-30%) в присутствии гипохлорита кальция в концентрациях 3-5 мг/л по активному хлору, что позволило достигнуть технический результат, заключающийся в обеспечении более высокого выхода этилового спирта и хлебопекарных дрожжей по сравнению с прототипом.

Предлагаемый новый штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ОН-1 ВКПМ-У-2492 выделен методом скрининга из бродильных чанов спиртового цеха Онежского гидролизного завода и отселекционирован в институте ГУП "ГосНИИсинтезбелок".

Новый штамм обладает высокой скоростью роста 0,25-0,33 ч^-1, устойчив к высоким концентрациям ионов активного хлора в пределах 3-5 мг/л. Обладая высокой скоростью роста и активным почкованием, штамм обеспечивает стабильные показатели накопления биомассы в дрожжегенераторном отделении спиртового цеха.

По сравнению с аналогами новый штамм отличается способностью более полно сбраживать мелассное сусло с более высокой концентрацией сухих веществ и более высоким выходом спирта и хлебопекарных дрожжей.

Преимуществом заявляемого штамма по сравнению с известными является то, что данный штамм сбраживает более широкий спектр сахаров. Помимо гексоз он сбраживает ксилозу; может расти при широком диапазоне температур (28-36^o) и рН среды (3,5-5,0).

Характерные признаки предлагаемого штамма следующие: Морфологические признаки: В солодовом сусле клетки округлые, овальные, удлиненно-овальные. Размер клеток 3,5-10 х 4,5-7,0 мкм. Форма клеток: овальные и овально-удлиненные. Вегетативное размножение - почкованием. В неблагоприятных условиях образуют артроспоры и редко сумки с 1-4 спорами.

Культуральные признаки: Колонии на сусло-агаре округлые, гладкие, тускло блестящие с ровным краем.

Цвет колоний от молочно-белого до кремового. Штрих на сусло-агаре влажный, матовый, гладкий, светло-кремового цвета.

Физиологические признаки: Факультативный анаэроб. Оптимум роста - 30^oС, оптимальные значения рН - 4,5-5,0.

Желатину не разжижает, крахмал не сбраживает. Сбраживает глюкозу, фруктозу, сахарозу, галактозу, мальтозу, раффинозу, декстрины, слабо сбраживает ксилозу и арабинозу, не сбраживает лактозу и инулин.

Асиммилирует: глюкозу, галактозу, сахарозу, сорбозу, мальтозу, ксилозу, рибозу, рамнозу.

Отношение к спиртам: усваивает глицерин и этанол, не усваивает маннит, дульцит, сорбит.

Отношение к органическим кислотам: усваивает уксусную и молочную кислоты, не усваивает янтарную, яблочную, винную и лимонную кислоты. В качестве источников азота усваивает все соли аммония.

Технологические свойства Оптимальная температура роста в интервале 28-30^oС. Однако может расти и при температуре 34-36^oС.

Оптимальными значениями рН среды являются 4,5-5,5, но может расти и осуществлять брожение при рН - 3,8-4,0.

На углеводсодержащих средах (мелассе, солодовом сусле, синтетической среде с глюкозой или сахарозой) удельная скорость роста равна 0,25-0,33 ч^-1. Выдерживает концентрации гипохлорита кальция в среде до 5 мг/л по активному хлору.

Сбраживает концентрированные мелассные рассиропки с содержанием сухих веществ 28-30%, синтезируя при этом до 11 об. % спирта в готовой бражке. Обеспечивает накопление в дрожжегенераторе 500-530 млн. клеток/мл, с высокой физиологической активностью (60% почкующихся клеток).

Штамм дрожжей Saccaromyces cerevisiae OH-1 депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов института ГосНИИгенетика, коллекционный номер ВКПМ-У-2492.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приведены в примере и таблице.

Пример Сбраживание мелассы с помощью нового и известного штаммов осуществляли по однопоточной схеме брожения на стендовой установке, состоящей из дрожжегенератора с рабочим объемом 2 л и батареи ферментеров, состоящей из четырех сосудов с общим рабочим объемом 10 л. Скорость обмена батареи при непрерывном процессе сбраживания составляла 24 ч. Используемая для сбраживания меласса имела следующие показатели: массовая доля веществ - 79,9%; прямая поляризация - 46,3; инверсионная поляризация - 15,05; инвертный сахар -0,92%; массовая доля сбраживаемых сахаров - 47,6%; доброкачественность - 61%.

Концентрация мелассного сусла составляла 26% (по сухому веществу). Мелассное сусло готовили следующим образом: Требуемую навеску мелассы растворяли в водопроводной воде, задавали фосфорное питание (0,06% концентрированной ортофосфорной кислоты к массе мелассы), азотное питание (0,1% карбамида к массе мелассы) и антисептик гипохлорит кальция в концентрации 5 мг/л по активному хлору. рН сусла до величины 4,5 доводили разведенной серной кислотой. Брожение осуществляли при температуре 30^oС. После анаэробного сбраживания в зрелой бражке определяли концентрацию спирта и несброженные сахара, а также концентрацию прессованных дрожжей.

Из приведенных в таблице данных следует, что при использовании засевных дрожжей нового штамма ВКПМ-У-2492 получена зрелая бражка с содержанием спирта 11 об.%, выход этилового спирта с 1 т условного крахмала составил 67,6 дал/т.

При засеве известного штамма У-563 эти показатели равнялись 10,6 об.% и 65,1 дал/т соответственно.

Остаточный сахар в зрелой бражке при использовании нового штамма был значительно ниже (1,5 г/л), чем у известного штамма У-563 (4,0 г/л).

Новый штамм обладает более высокой физиологической и генеративной активностью в условиях высокой концентрации сухих веществ (26%) в мелассном сусле и антисептика в концентрации 5 мг/л по активному хлору. Об этом свидетельствует более высокое количество почкующихся клеток (60,4%) и общее количество дрожжевых клеток (520 млн. кл/мл) в дрожжегенераторе; выход прессованных дрожжей 75%-ной влажности составил 37,2 г/л.

Итак, селекционная работа по адаптации нового штамма к более высоким концентрациям мелассного сусла и антисептика в среде обусловила преимущества нового штамма по сравнению с известными, которые выразились в более полном сбраживании введенного сахара, увеличении выхода спирта и хлебопекарных дрожжей, а также физиологической активности дрожжевых клеток.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого научно-технического решения критерию "новизна".

Дополнительным подтверждением преимущества заявляемого штамма S.cerevisiae OH-1 ВКПМ-У-2492 является Акт внедрения его на Онежском гидролизном заводе в июле 1999 г.

В соответствии с основными показателями, полученными в промышленных условиях и подтвержденными Актом преимуществами заявляемого штамма, являются следующие: - способность утилизировать широкий спектр сахаров (сбраживание помимо гексоз ксилозы и арабинозы); - высокий выход спирта из одной тонны условного крахмала (66-68%);
- устойчивость к значительным количествам (до 5 мг/л) активного хлора (гипохлорит кальция), используемого в качестве антисептика на многих спиртовых заводах;
- высокая скорость роста и сбраживания сахаров.

В производственных условиях процесс сбраживания сахарозы заканчивается за 5-5,5 ч (другие активные штаммы осуществляют этот процесс за 6-7 ч).

На основании вышеперечисленных преимуществ заявляемого штамма перед активными производственными штаммами дрожжей он прошел промышленные испытания и внедрен в производство спирта и хлебопекарных дрожжей на ОАО "Онежский гидролизный завод".

В течение двух месяцев работы завода по новой схеме спиртового производства было показано, что при выращивании штамма Saccharomyces cerevisiae ОН-1 ВКПМ-У-2492 во всех аппаратах чистой культуры (АЧК-1, АЧК-2 и АЧК-3) скорость выращивания (а следовательно и продуктивность) выше, чем нормативы, которые представлены в регламенте для известных промышленных штаммов - сахаромицетов.

Доказательством этому могут служить следующие показатели:
Продолжительность процесса выращивания в аппаратах чистой культуры (АЧК-1, АЧК-2, АЧК-3):
По регламенту:
АЧК-1-24 ч;
АЧК-2-44-45 ч;
АЧК-3-18 ч.

В процессе промышленных испытаний и внедрения:
АЧК-1-10 ч;
АЧК-2-20 ч;
АЧК-3-6 ч.

Постоянное микроскопирование показывало хорошее физиологическое состояние дрожжевых клеток: активное почкование, гомогенную протоплазму, способность накапливать биомассу в дрожжегенераторах в пределах 30-35 г/л при скорости обмена среды 4-5 ч (в среднем).

В процессе отработки режима выращивания штамма S.cerevisiae ОН-1 ВКПМ-У-2492 была установлена возможность накапливать необходимую биомассу со скоростью обмена среды 2,5-3,5 ч (вместо 6-8 ч по инструкции).

На основании всех перечисленных выше свойств заявляемого штамма - он представляет из себя совершенно новый, весьма перспективный штамм для внедрения в спиртовое производство с одновременным получением хлебопекарных дрожжей.

Источники информации:
1. А.с. СССР 1306949, С 12 N 1/16, публ. 30.04.87.

2. Патент РФ 2039813, С 12 N 1/18, публ. 20.07.95 (прототип).

Формула изобретения

Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiaе ОН-1 ВКПМ У-2492, используемый для сбраживания мелассного сусла повышенной концентрации в производстве спирта и хлебопекарных дрожжей.

РИСУНКИ

Рисунок 1