[論文レビュー] Novel model for wine fermentation including the yeast dying phase

Alfio Borzı̀, Juri Merger+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Fermentation and Sensory Analysis参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、エタノールの神経毒性によるイースト死滅フェーズを明示的に組み込み、イースト代謝に及ぼす酸素の影響を考慮した、ワインの発酵を対象とした新規の動的モデルを提案する。エタノール濃度に基づく非線形死滅項を統合し、成長に用いられる糖とエタノール生成に用いられる糖を分離することで、ラグ、成長、死滅フェーズを含む実験的イースト動態を、従来のモデルよりもより正確に再現する。生物学的現実性を捉える点で優れた性能を示す。

ABSTRACT

This paper presents a novel model for wine fermentation including a death phase for yeast and the influence of oxygen on the process. A model for the inclusion of the yeast dying phase is derived and compared to a model taken from the literature. The modeling ability of the several models is analyzed by comparing their simulation results.

研究の動機と目的

• イーストの完全なライフサイクル（ラグ、成長、死滅フェーズを含む）を捉える、より生物学的に正確なワイン発酵モデルの構築を目的とする。
• 実験で観察されるイースト死滅フェーズを反映しない従来のモデルの限界を是正することを目的とする。
• 特にシュガーミセス・セレビシエの発酵において重要な役割を果たす酸素のイースト代謝への影響を組み込むこと。
• イースト成長に使われる糖とエタノールに変換される糖を区別することで、シミュレーションの忠実度を向上させること。
• 数値シミュレーションとパラメーターキャリブレーションを用いて、実験データとの妥当性を検証すること。

提案手法

• Davidらのモデルを改変し、エタノール濃度に基づく非線形死滅項を組み込んだ新しい常微分方程式（ODE）系を導出する。
• エタノール濃度が耐性閾値（tol）を超えた際に死滅が発動するよう、逆正 tangent 関数と二次項を用いたシグモイド型死滅関数 Φ(E) を導入する。
• 糖濃度（S）を2つの成分に分割：1つはイースト成長に使用（ミヒャエリス・モーリス定数 KS₁ を伴う）、もう1つはエタノール生成に使用（ミヒャエリス・モーリス定数 KS₂ を伴う）。
• 酸素（O₂）を動的変数として扱い、その飽和定数（KO）と収率係数（k₄）を設定することで、酸素がイースト成長と代謝を支える役割を反映する。
• ACADOツールキットを介してBDF（後退差分公式）積分器を用いてODE系を数値的に解く。
• 最大成長率（μ_max(T)）とエタノール阻害（K_E(T)）の温度依存関数を用いて、実験データを基にモデルパラメータをキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験で観察されるイースト死滅フェーズを反映させるために、ワイン発酵の数学的モデルはどのように改善できるか？
• RQ2 酸素の可用性がワイン発酵におけるイースト成長およびエタノール生成動態に与える影響は何か？
• RQ3 糖の成長用途とエタノール生成用途を分離することで、モデルの精度と生物学的妥当性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 標準モデルと比較して、非線形エタノール誘発死滅関数がイースト集団動態のシミュレーションにどれほど向上効果をもたらすか？
• RQ5 温度依存動態および酸素ダイナミクスを組み込むことで、発酵モデルの予測能力はどの程度向上するか？

主な発見

• 新しいモデルは、エタノール濃度が耐性閾値（tol = 70 g/L）を超えた際に活性化する非線形死滅関数 Φ(E) を導入することで、元のDavidらのモデルに欠落していたイースト死滅フェーズを成功裏に再現した。
• シミュレーション結果は、ラグ、成長、死滅フェーズを含むイーストの完全なライフサイクルを、ベースラインモデルが成長と定常状態にしか示さないのと比較して、より正確に再現していることを示した。
• 酸素を組み込んだモデルは、特に発酵初期段階における酸素の可用性が代謝活性を高めるという点で、イースト活動の表現が向上している。
• イーストの栄養源として使用される糖の収率係数 k₃ は、2.8424 にキャリブレーションされ、これは糖の大部分がエタノール生成ではなく、イーストの維持・成長に割り当てられていることを示している。
• 酸素の飽和定数 KO = 0.0002 g/L は、イーストが低酸素濃度に極めて感受性を示すことを示しており、生物学的観察と整合的である。
• 式（5）に示される逆正 tangent 死滅項を有するモデルは、ピークエタノール濃度に達した後のイースト濃度の低下が、実験傾向をより現実的に再現しており、元のモデルよりも優れた適合を示した。