[論文レビュー] Electro-stimulation of Saccharomyces cerevisiae wine yeasts by Pulsed Electric Field and its effect on fermentation performance

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

Microbial Inactivation Methods参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、*Saccharomyces cerevisiae* ワイン酵母（Actiflore F33）のパルス電界（PEF）前処理が、発酵プロセスの性能を向上させるかを調査した。100 V/cmおよび6000 V/cmのPEF処理により、ラグ相における糖消費が顕著に促進された。40時間後には6000 V/cmで果糖消費量が3.98倍に増加し、120時間で30%の質量損失が達成されたが、対照的サンプルでは140時間かかっていた。

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）前処理が*Saccharomyces cerevisiae*のワイン醸造における発酵性能に与える影響を評価すること。
• PEFによる電気的刺激が、発酵のラグ相およびログ相における代謝活性を向上させるかどうかを特定すること。
• 糖消費、質量損失、タンパク質合成を含む発酵キネティクスの改善を定量化すること。
• 発酵効率を最大化するための最適なPEFパラメータ（1000パルス、100 µsパルス幅、100 ms繰り返し間隔）を同定すること。
• 酵母細胞における電気的刺激の細胞および代謝レベルでの裏付けメカニズムを明らかにすること。

提案手法

• *S. cerevisiae*懸濁液（0.12% wt.）を100 V/cmおよび6000 V/cmの電界強度でPEF前処理すること。
• 同一のパルスプロトコル（1000パルス、100 µsパルス幅、100 ms繰り返し間隔）を適用すること。
• 酵母懸濁液における電気伝導度の測定により、電気的刺激効果の確認を行うこと。
• 150時間にわたり30°Cで撹拌を継続してバッチ発酵を実施し、発酵ダイナミクスを評価すること。
• 質量損失、°Brix低下、果糖消費、タンパク質合成の時間的推移を測定すること。
• PEF処理済みインoculumと未処理対照サンプルの性能差を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PEF前処理が、ワイン発酵の初期ラグ相において、糖消費を顕著に促進するか？
• RQ2 対照的サンプルと比較して、PEF処理が発酵中における質量損失および可溶固形物（°Brix）低下をどの程度促進するか？
• RQ3 バッチ発酵中におけるPEF処理が、*S. cerevisiae*におけるタンパク質合成および代謝活性に与える影響は何か？
• RQ4 PEF電界強度（100 V/cm 対 6000 V/cm）と発酵性能向上の関係は何か？
• RQ5 酵母細胞に観察された電気的刺激効果の背後にある潜在的細胞メカニズムは何か？

主な発見

• 6000 V/cmのPEF前処理により、発酵40時間後の果糖消費量が対照サンプルと比較して3.98倍に増加した。
• 40時間時点で、6000 V/cm処理サンプルの果糖消費量は100 V/cm処理サンプルと比較して2.33倍に上昇した。
• 120時間で、PEF処理インoculum（6000 V/cm）は30%の質量減少を達成したが、対照的サンプルではこの結果を得るまでに追加で20時間が必要だった。
• PEF処理後の酵母懸濁液で測定された電気伝導度の上昇により、電気的刺激効果が確認された。
• PEF処理により、可溶物質の消費速度の向上およびタンパク質合成の改善を含む、全体的な発酵性能が向上した。
• 本研究では、PEF前処理が、発酵プロトコルの変更なしに、特にラグ相において初期発酵段階を顕著に加速することが示唆された。