[논문 리뷰] Novel model for wine fermentation including the yeast dying phase

Alfio Borzı̀, Juri Merger외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 17.

Fermentation and Sensory Analysis참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 에탄올 독성에 의해 유도되는 효모 사멸 단계와 효모 대사에 대한 산소의 영향을 명시적으로 포함하는 새로운 동적 모델을 제안한다. 에탄올 농도에 기반한 비선형 사멸 항목과 생장과 에탄올 생성을 위한 당 사용을 분리함으로써, 이론적 실험 효모 동역학, 즉 지연기, 생장기 및 사멸기를 더 잘 재현하며, 생물학적 현실성을 더 잘 반영하여 기존 모델보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 효모의 전체 생애주기를 포함한, 더 생물학적으로 정확한 포도주 발효 모델을 개발하기 위해.
• 실제 실험에서 관찰되는 효모 사멸 단계를 반영하지 못하는 기존 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 특히 샤카로마이세스 세레비스리아 발효에서 산소가 효모 대사에 미치는 중요한 역할을 통합하기 위해.
• 생장에 사용되는 당과 에탄올 생성에 사용되는 당을 구분함으로써 시뮬레이션의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 수치 시뮬레이션과 매개변수 캘리브레이션을 통해 실험 데이터와의 검증을 수행하기 위해.

제안 방법

• 에탄올 농도에 기반한 비선형 사멸 항목을 포함하기 위해 David 등이 제시한 모델을 수정하여 새로운 일반 미분방정식(OED) 시스템을 유도한다.
• 에탄올 농도가 내성 내성 허용 한계(tol)를 초과할 경우 활성화되는 아크탄젠트와 이차항을 사용한 시그모이드형 사멸 함수 Φ(E)를 도입하여 에탄올 유도 효모 사멸을 모델링한다.
• 당 농도(S)를 두 개의 구성요소로 분할한다: 효모 생장을 위한 것(포화 상수 KS₁)과 에탄올 생성을 위한 것(포화 상수 KS₂).
• 산소(O₂)를 동적 변수로 포함시키며, 그 자체의 포화 상수(KO)와 수익 계수(k₄)를 갖추어 효모 생장과 대사에 기여하는 역할을 반영한다.
• ACADO 툴킷을 통한 BDF(역차분 공식) 통합기로 ODE 시스템을 수치적으로 해석한다.
• 온도에 따라 변화하는 최대 생장 속도(μ_max(T))와 에탄올 억제(K_E(T))의 함수를 사용하여 모델 매개변수를 실험 데이터를 기반으로 캘리브레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 실험에서 관찰되는 효모 사멸 단계를 포함하기 위해 포도주 발효의 수학적 모델은 어떻게 개선될 수 있는가?
• RQ2 포도주 발효에서 산소 가용성이 효모 생장 및 에탄올 생성 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 생장과 에탄올 생성을 위한 당 사용을 분리함으로써 모델 정확도와 생물학적 사실성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 표준 모델에 비해 비선형 에탄올 유도 사멸 함수는 효모 집단 동역학 시뮬레이션에서 얼마나 향상되는가?
• RQ5 온도 의존성 동역학과 산소 동역학을 통합함으로써 발효 모델의 예측 능력은 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• 신규 모델은 원래 David 등이 제시한 모델에서 부재했던 효모 사멸 단계를 비선형 사멸 함수 Φ(E)를 도입함으로써 성공적으로 재현한다. 이 함수는 에탄올 농도가 내성 허용 한계(tol = 70 g/L)를 초과할 경우 활성화된다.
• 시뮬레이션 결과는 새로운 모델이 기존 모델이 생장기와 정체기만을 보여주는 데 비해, 지연기, 생장기, 사멸기를 포함한 전체 효모 생애주기를 더 정확하게 재현함을 보여준다.
• 산소를 포함한 모델은 특히 초기 발효 단계에서 산소 가용성이 효모 대사 활동을 향상시켜 효모 활동을 더 잘 반영한다.
• 효모 영양원으로 사용되는 당의 수익 계수 k₃는 2.8424로 캘리브레이션되어, 상당 부분의 당이 에탄올 생성이 아닌 효모 유지 및 생장에 할당됨을 시사한다.
• 산소의 포화 상수(KO = 0.0002 g/L)는 효모가 낮은 산소 농도에 매우 민감함을 나타내며, 생물학적 관찰과 일치한다.
• 식별식 5에 제시된 아크탄젠트 사멸 항목을 포함한 모델은 피크 에탄올 농도에 도달한 후 효모 농도의 더 현실적인 감소를 생성하여 원래 모델보다 실험 트렌드를 더 잘 따르는 결과를 보였다.