[논문 리뷰] Electro-stimulation of Saccharomyces cerevisiae wine yeasts by Pulsed Electric Field and its effect on fermentation performance

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

Microbial Inactivation Methods참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 포도주 생산에서 발효 성능을 햖थ기 위해 펄스 전기장(Pulsed Electric Field, PEF) 전처리를 *Saccharomyces cerevisiae* 포도주 효모(Actiflore F33)에 적용하는 것을 조사한다. 100 및 6000 V/cm의 PEF는 지속기 동안 당 소비를 뚜렷이 가속화하였으며, 40시간 후 6000 V/cm에서 과당 소비가 3.98배 높았고, 120시간에는 질량 손실이 30% 감소하여, 대조군이 140시간이 걸리는 것을 120시간 만에 달성하였다.

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) 전처리가 포도주 생산에서 *Saccharomyces cerevisiae*의 발효 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• PEF를 통한 전기 자극이 발효의 지속기 및 로그 단계 동안 대사 활동을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 당 소비, 질량 손실, 단백질 합성 등을 포함한 발효 동역학의 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 발효 효율을 극대화하기 위해 최적의 PEF 조건(1000개 펄스, 100 µs 펄스 폭, 100 ms 반복 주기)을 규명하기 위해.
• 세포 및 대사 수준에서 효모 세포 내 전기 자극의 기초 메커니즘을 탐색하기 위해.

제안 방법

• *S. cerevisiae* 혼탁액(0.12% wt.)을 전기장 강도 100 V/cm 및 6000 V/cm에서 PEF 전처리를 실시하였다.
• 동일한 펄스 프로토콜 적용: 1000개 펄스, 100 µs 펄스 지속시간, 100 ms 펄스 반복 주기.
• 효모 혼탁액에서 전기 전도도를 측정하여 전기 자극 효과를 확인하였다.
• 150시간 동안 30°C에서 연속 교반 조건으로 배치 발효를 실시하여 발효 역학을 평가하였다.
• 주요 발효 매개변수 측정: 시간 경과에 따른 질량 손실, °Brix 감소, 과당 소비, 단백질 합성.
• 성능 차이 평가를 위해 PEF 전처리된 인ocula와 미처리 대조군을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PEF 전처리가 포도주 발효의 초기 지속기 동안 당 소비를 유의미하게 가속화하는가?
• RQ2 대조군에 비해 PEF 처리가 발효 중 질량 손실과 용해성 고형물(°Brix) 감소에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 PEF 처리가 배치 발효 중 *S. cerevisiae*의 단백질 합성 및 대사 활동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 PEF 전기장 강도(100 V/cm 대비 6000 V/cm)와 발효 성능 향상 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 관찰된 전기 자극 효과의 잠재적 세포 기반 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 6000 V/cm에서 PEF 전처리를 받은 효모에서 40시간 발효 후 과당 소비가 대조군 대비 3.98배 높아졌다.
• 40시간 시점에서 6000 V/cm PEF 처리 샘플의 과당 소비는 100 V/cm 대조군 대비 2.33배 높았다.
• 120시간 경과 시 PEF 전처리된 인ocula(6000 V/cm)는 30%의 질량 감소를 달성하였으며, 이는 대조군이 추가 20시간 더 소요된 결과였다.
• PEF 처리 후 효모 혼탁액의 전기 전도도가 유의미하게 증가하여 전기 자극 효과가 확인되었다.
• PEF 처리는 당 소비 속도 향상과 더불어 단백질 합성 향상까지 포함해 전체 발효 성능을 향상시켰다.
• 본 연구는 PEF 전처리가 핵심 발효 프로토콜을 변경하지 않고도 초기 발효 단계, 특히 지속기 동안 발효 속도를 뚜렷이 가속화할 수 있음을 시사한다.