[논문 리뷰] Electro-stimulation of S. cerevisiae wine yeasts by pulsed electric field and its effects on fermentation capacity

Jessy Mattar, Mohammad Turk외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 21.

Microbial Inactivation Methods참고 문헌 33인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 발효 성능을 향상시키기 위해 *S. cerevisiae* 와인 효모에 펄스 전기장(Pulse Electric Field, PEF) 전기 자극을 가하는 것을 조사한다. 100 및 6000 V/cm에서의 PEF 처리는 지속기 초기 단계에서 당 소비를著しく 가속화하고 발효 효율을 향상시켰으며, 6000 V/cm 처리에서는 과당 소비가 3.98배 증가하고 질량 손실 시간이 대조군 대비 20시간 감소하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 펄스 전기장(PEF) 처리가 *S. cerevisiae* 발효 능력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• PEF를 통한 전기 자극이 발효 동역학과 효율을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 발효 성능을 최대화하는 데 최적의 PEF 파arameter(전기장 강도)를 규명하기 위해.
• 효모 세포 내 전기 자극의 기초 메커니즘을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 0.12% wt 농도의 *S. cerevisiae* 혼탁액에 펄스 전기장(PEF) 처리를 적용하였다.
• 두 가지 전기장 강도를 시험: 100 V/cm 및 6000 V/cm, 1000개 펄스, 100 µs 펄스 폭, 100 ms 펄스 반복 주기.
• 30°C에서 연속 교반 조건 하에 배치 모드로 150시간 동안 발효를 수행하였다.
• 전기 전도도 변화로 효모 혼탁액 내 전기 자극 효과를 확인하였다.
• 질량 손실, °Brix 감소, 단백질 합성, 당 소비 등의 발효 매개변수를 시간 경과에 따라 모니터링하였다.
• 성능 향상 여부 평가를 위해 PEF 처리된 시료와 대조군 간 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PEF 처리는 *S. cerevisiae* 와인 효모의 발효 능력을 향상시키는가?
• RQ2 전기장 강도를 다양하게 조절함으로써(100 V/cm 대비 6000 V/cm) 발효 동역학과 당 소비 속도에 어떤 영향를 미치는가?
• RQ3 비처리 대조군 대비 전기 자극은 발효 시간을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 PEF 처리 후 질량 손실과 용해성 물질 소비에 관해 측정 가능한 향상 사항은 무엇인가?
• RQ5 효모 세포 내 PEF 유도 전기 자극의 잠재적 생리학적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 40시간(지속기 종료 시점)에 100 V/cm에서 처리한 샘플의 과당 소비는 대조군 대비 2.33배 높았다.
• 40시간에 6000 V/cm에서 처리한 샘플의 과당 소비는 대조군 대비 3.98배 높았다.
• 120시간(로그 성장기 종료 시점)에 6000 V/cm에서 처리한 샘플은 질량 감소 30%를 달성했으며, 이는 대조군에서 추가 20시간이 더 소요된 결과였다.
• PEF 처리는 초기 지속기 동안 당 소비 속도를著しく 가속화하여 대사 활성화가 향상됨을 시사하였다.
• 전기 전도도 측정 결과, PEF 노출 후 효모 혼탁액 내 전기 자극 발생을 확인하였다.
• 이 연구는 PEF 처리가 대사 활성화와 기질 이용을 향상시켜 발효 효율을 향상시킨다고 제안한다.