[論文レビュー] Electro-stimulation of S. cerevisiae wine yeasts by pulsed electric field and its effects on fermentation capacity

Jessy Mattar, Mohammad Turk+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2013

Microbial Inactivation Methods参考文献 33被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、発酵性能を向上させるために、ワイン用イーストである*S. cerevisiae*に対するパルス電界（PEF）電気刺激を検討した。100および6000 V/cmのPEF処理は、ラグ相における糖消費を顕著に促進し、発酵効率を向上させた。6000 V/cmの処理では、対照群と比較してフルクトース消費が3.98倍に増加し、質量損失時間も20時間短縮された。

ABSTRACT

The batch fermentation process, inoculated by pulsed electric field (PEF) treated wine yeasts (S. cerevisiae Actiflore F33), was studied. PEF treatment was applied to the aqueous yeast suspensions (0.12 % wt.) at the electric field strengths of E=100 and 6000 V/cm using the same pulse protocol (number of pulses of n=1000, pulse duration of ti=100 mks, and pulse repetition time of dt=100 ms). Electro-stimulation was confirmed by the observed growth of electrical conductivity of suspensions. The fermentation was running at 30°C for 150 hours in an incubator with synchronic agitation. The obtained results clearly evidence the positive impact of PEF treatment on the batch fermentation process. Electro-stimulation resulted in improvement of such process characteristics as mass losses, consumption of soluble matter content (°Brix) and synthesis of proteins. It also resulted in a noticeable acceleration of consumption of sugars at the initial stage of fermentation in the lag phase. At the end of the lag phase (t=40 hours), consumption of fructose in samples with electrically activated inocula exceeded fructose consumption in samples with control inocula by 2.33 times when it was activated at E=100 V/cm and by 3.98 times after treatment at E=6000 V/cm. At the end of the log phase (120 hours of fermentation), 30% mass reduction was reached in samples with PEF-treated inocula (E=6000 V/cm), whereas the same mass reduction of the control sample required approximately, 20 hours of extra fermentation. The possible mechanisms of electro-stimulation are also discussed in details.

研究の動機と目的

• パルス電界（PEF）処理が*S. cerevisiae*の発酵能に与える影響を評価すること。
• PEFによる電気刺激が発酵キネティクスおよび効率を向上させるかどうかを特定すること。
• 発酵性能を最大化する最適なPEFパラメータ（電界強度）を同定すること。
• 酵母細胞における電気刺激の背後にあるメカニズムを調査すること。

提案手法

• 0.12% wt.の濃度で*S. cerevisiae*懸濁液にパルス電界（PEF）処理を施した。
• 2つの電界強度（100 V/cmおよび6000 V/cm）をテストし、1000パルス、100 µsのパルス幅、100 msのパルス繰り返し間隔とした。
• 30°Cで撹拌を継続しながら150時間のバッチモードで発酵を実施した。
• 電気伝導度の変化から、酵母懸濁液における電気刺激効果を確認した。
• 質量損失、°Brix低下、タンパク質合成、糖消費などの発酵パラメータを時間経過とともにモニタリングした。
• 性能向上の評価のために、PEF処理群と対照群の比較分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PEF処理は、*S. cerevisiae*ワインイーストの発酵能を向上させるか？
• RQ2 電界強度を100 V/cmと6000 V/cmに変化させた場合、発酵キネティクスおよび糖消費速度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 電気刺激は、未処理対照群と比較して発酵時間をどの程度短縮するか？
• RQ4 PEF処理後、質量損失および可溶性物質消費に顕著な改善が見られるか？
• RQ5 酵母細胞におけるPEF誘発電気刺激の背後にある生理的メカニズムは何か？

主な発見

• 40時間目（ラグ相終了時）、100 V/cmで処理したサンプルでは、対照群と比較してフルクトース消費が2.33倍に増加した。
• 40時間目、6000 V/cmで処理したサンプルでは、対照群と比較してフルクトース消費が3.98倍に増加した。
• 120時間目（ログ相終了時）、6000 V/cmで処理したサンプルでは30%の質量減少が達成されたが、対照群ではこの結果を得るのに追加で20時間を要した。
• PEF処理により、初期のラグ相における糖消費が顕著に促進され、代謝活性化が示された。
• 電気伝導度測定から、PEF露出後の酵母懸濁液における電気刺激の発生が確認された。
• 本研究では、PEF処理が代謝活性および基質利用能を向上させることで、発酵効率が向上すると示唆された。