• Nie Znaleziono Wyników

WYKORZYSTANIE BULW TOPINAMBURU (HELIANTHUS TUBEROSUS L.) DO PRODUKCJI ETANOLU Z UŻYCIEM DROŻDŻY SACCHAROMYCES CEREVISIAE

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "WYKORZYSTANIE BULW TOPINAMBURU (HELIANTHUS TUBEROSUS L.) DO PRODUKCJI ETANOLU Z UŻYCIEM DROŻDŻY SACCHAROMYCES CEREVISIAE"

Copied!
8
0
0

Pełen tekst

(1)

ŻYW NOŚĆ 3(24) Supi., 2000

K A TA R ZY N A SZA M BELA N

WYKORZYSTANIE BULW TOPINAMBURU (H ELIANTHUS TUBEROSUS L.) DO PRODUKCJI ETANOLU Z UŻYCIEM DROŻDŻY

SACCHAROMYCES CEREVISIAE

S t r e s z c z e n i e

Przedm iotem pracy było określenie w ydajności produkcji alkoholu etylowego z bulw topinamburu (H elianthus tuberosus L.) przy użyciu drożdży gorzelniczych Saccharom yces cerevisiae: B c ló a i D2.

Badania prow adzono na rozdrobnionych bulwach i na soku z bulw topinamburu dwóch genotypów: Albik i Rubik. Przed procesem ferm entacji zastosowano hydrolizę kw asow ą i enzym atyczną inuliny i inulidów, zarówno w bulwach, ja k i w soku z bulw, obu genotypów topinamburu, do cukrów prostych. M aksymalne ilości alkoholu etylowego, uzyskiwanego przy użyciu drożdży B cló a, wynosiły:

1) dla rozdrobnionych bulw:

genotyp A lbik 10,8% obj.,

genotyp R ubik 9,3% obj., 2) dla soku z bulw:

genotyp: A lbik 8,9% obj.,

genotyp R ubik 8,2% obj.

Wstęp

Topinam bur (H elianthus tuberosus L.) je st roślin ą spokrew nioną ze słoneczni­

kiem. R oślina ta posiada szeroko rozw inięty system korzeniow y w ytw arzający bulw y [7, 8, 20]. C harakteryzuje się w ysoką w ydajnością bulw z hektara (do 34,2 t) [2, 6, 8, 13], dobrym w zrostem na ubogich i w yjałow ionych glebach, odpornością na m róz i choroby oraz w y so k ą w ydajnością w ęglow odanów z hektara (5-14 t) [6, 7, 8], co p o ­ w oduje atrakcyjność tej rośliny i coraz w iększe zainteresow anie. B ulw y topinam buru m ogą być w ykorzystyw ane m.in. do produkcji fruktozy, inuliny i etanolu [1, 2, 5, 6, 9,

11, 13, 16, 17, 18, 19,21],

M gr inż. K. Szambelan, Instytut Technologii Żywności Pochodzenia Roślinnego, Akadem ia Rolnicza im.

A. Cieszkowskiego w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 31, 60-624 Poznań.

(2)

W YKORZYSTANIE B U L W TO PINAM BU RU (HELIAN TH U S TUBEROSUS L.) D O PRODUKCJI... 115 Z ainteresow anie bulw am i topinam buru, jak o surow cem do produkcji etanolu, w ynika przede w szystkim ze stosunkow o wysokiej zaw artości w ęglow odanów (11­

20% ), w tym inulina i inulidy stanow ią 7 0 -9 0 % tych zw iązków. Inulina zbudow ana jest z 30 i więcej cząsteczek fruktozy (inulidy zbudow ane są z mniej niż 30 cząsteczek) połączonych w iązaniam i β-1,2, tw orzących łańcuchy zakończone cząsteczkam i glukozy [19, 21], K onw encjonalne drożdże gorzelnicze z rodzaju Saccharomyces cerevisiae generalnie nie w ykazują zdolności bezpośredniej ferm entacji inuliny i inulidów [9]. K onieczne je st zatem odpow iednie przygotow anie podłoża, stosując procesy kw asow ej lub enzym atycznej hydrolizy w ęglow odanów do cukrów prostych ferm entujących (głów nie fruktozy) [12, 15, 19, 21],

C elem pracy była ocena w ydajności produkcji alkoholu etylow ego z rozdrobnio­

nych bulw i soku z bulw topinam buru (H. tuberosus L.) przy użyciu drożdży gorzelni- czych S. cerevisiae·. B c l6 a i D2, po uprzedniej hydrolizie kw asow ej i enzym atycznej w ęglow odanów do cukrów prostych.

Materiał i metody badań

Surow cem do badań były bulw y topinam buru (Helianthus tuberosus L.) dwóch genotypów : A lbik i Rubik, otrzym ane z C entrum Zasobów G enow ych Instytutu H o­

dow li i A klim atyzacji R oślin w R adzikow ie. Świeże bulw y rozdrabniano w m łynku szarpakow ym oraz pozyskiw ano z nich sok w prasie hydraulicznej (urządzenia m arki B ucher TPZ 7). R ozdrobnione bulw y i sok z bulw przechow yw ano do dalszych badań w stanie zam rożonym .

M ateriałem stosow anym w badaniach do procesu ferm entacji alkoholowej były drożdże gorzelnicze Saccharom yces cerevisiae'. B c l6 a i D2.

Procesy hydrolizy w ęglow odanów do cukrów prostych ferm entujących prow a­

dzono w w arunkach:

■ hydroliza kw asem siarkow ym (V I) uzupełnianym w próbie do pH 2,0, tem p. 100°C, czas 60 min,

■ hydroliza enzym atyczna z użyciem preparatu enzym atycznego inw ertazy „G am i- nvert G ” : pH 5,0, temp. 55°C, czas 60 min.

Po procesach hydrolizy pH korygow ano do w artości 5 ,0 -5 ,5 za pom o cą 10%

NaOH.

Próby w ilości 200 g m iazgi lub 200 ml soku przed procesem ferm entacji schła­

dzano do tem peratury nastaw u (20-25°C ) i zaszczepiano inokulum drożdżow ym w ilości 10% (v/v). Ferm entacje okresow e rozdrobnionych bulw i soku z bulw topinam ­ buru prow adzono w tem peraturze 30°C przez 72 godziny.

Zaw artość cukrów redukujących (w yrażonych jak o fruktoza) po w szystkich pro ­ cesach obróbki, oznaczano m etodą kolorym etryczną z kw asem 3,5-D N S [13].

(3)

116 Katarzyna Szambelan

Z aw artość etanolu w płynach ferm entacyjnych oznaczano po destylacji m etodą areom etryczną [10]. W ydajność etanolu w yrażano w procentach objętościow ych.

W y n ik i i d y sk u sja

W celu określenia w ydajności produkcji alkoholu etylow ego z bulw topinam buru (H. tuberosus L.) przeprow adzono dwie ferm entacje alkoholowe: je d n ą z rozdrobnio­

nych bulw , a dru gą z soku z bulw ; obydw ie w zależności od typu hydrolizy w ęglow o­

danów - kw asow ej i enzym atycznej oraz zastosow anego szczepu drożdży - B c ló a i D2 (Rys. 1-4). R ozdrobnione bulw y charakteryzow ały się zaw artością suchej substan­

cji, dla genotypu: A lbik 29,69% i R ubik 26,56% . Zaw artość suchej substancji w soku z bulw w ynosiła, w przypadku genotypu: A lbik 17,33% i R ubik 15,95%.

T a b e l a 1

Zawartość cukrów redukujących w rozdrobnionych bulwach topinamburu po procesach hydrolizy kw a­

sowej i enzymatycznej.

Reducing sugars content in Jerusalem artichoke tubers after acid and enzymatic hydrolysis.

Genotyp Cultivar

H ydroliza kwasowa z użyciem H2S 0 4, 100°C, 60 m inut

A cid hydrolysis w ith H2S 0 4, 100°C, 60 minutes

H ydroliza enzym atyczna z użyciem inwertazy, 55°C, 60 minut

Enzymatic hydrolysis with invertase, 55°C, 60 minutes

c [g/L] C [ % S .S .] c [g/L] c [% s.s.]

Albik 234,54 79,01 185,12 62,35

R ubik 196,93 74,15 165,11 62,16

T a b e l a 2 Zawartość cukrów redukujących w soku z bulw topinam buru po procesach hydrolizy kwasowej i enzy­

matycznej.

Reducing sugars content in Jerusalem artichoke juice after acid and enzymatic hydrolysis.

! Genotyp Cultivar

Gęstość soku D ensity o f the

juice g/ml

H ydroliza kwasowa z użyciem H 2S 0 4, 100°C, 60 minut A cid hydrolysis with H 2S 0 4,

100°C, 60 minutes

H ydroliza enzym atyczna z użyciem inwertazy, 55°C, 60 m inut Enzymatic hydrolysis with invertase,

55°C, 60 minutes

c [g/L] c [% s.s.] c [g/L] c [% s.s.]

A lbik 1,071 182,14 98,13 161,61 87,07

R ubik 1,067 162,41 95,43 146,26 85,94

(4)

W YKO RZYSTANIE B U L W TO PINAM BU RU (H ELIAN TH U S TU BERO SU S L.) D O PRODUKCJI.. 117

Rys. 1. W ydajność etanolu z rozdrobnionych bulw topinamburu przy użyciu drożdży S. cerevisiae, po hydrolizie kwasowej węglowodanów.

Fig. 1. Y ield o f ethanol from Jerusalem artichoke tubers using S. cerevisiae, after acid hydrolysis o f carbohydrates.

Rys. 2. W ydajność etanolu z rozdrobnionych bulw topinamburu przy użyciu drożdży S. cerevisiae, po hydrolizie enzym atycznej węglowodanów.

Fig. 2. Y ield o f ethanol from Jerusalem artichoke tubers using S. cerevisiae, after enzym atic hydrolysis o f carbohydrates.

(5)

118 K atarzyna Szam belan

Rys. 3. W ydajność etanolu z soku z bulw topinamburu przy użyciu drożdży S. cerevisiae, po hydrolizie kwasowej węglowodanów.

Fig. 3. Y ield o f ethanol from Jerusalem artichoke juice using S. cerevisiae, after acid hydrolysis o f carbohydrates.

Rys. 4. W ydajność etanolu z soku z bulw topinamburu przy użyciu drożdży S. cerevisiae, po hydrolizie enzymatycznej węglowodanów.

Fig. 4. Y ield o f ethanol from Jerusalem artichoke juice using S. cerevisiae, after enzym atic hydrolysis o f carbohydrates.

(6)

W YK O RZYSTANIE B U LW TO PIN AM BU RU (HELIAN TH U S TUBEROSUS L.) D O PRODUKCJI... 119 W ęglow odany zaw arte w bulw ach i w soku z bulw topinam buru przed procesem ferm entacji poddaw ane były hydrolizie kwasow ej i enzym atycznej w celu rozłożenia ich do cukrów prostych ferm entujących (tab. 1, tab. 2). Param etry prow adzenia hydro­

lizy inuliny i inulidów podaw ane w literaturze różnią się w zależności od autorów [15, 18, 21, 22], N ajw yższe ilości cukrów ferm entujących uzyskiw ano w procesie hydrolizy kwasowej w rozdrobnionych bulw ach topinam buru genotypu Albik: 234,54 g/L i R u­

bik 196,93 g/L (tab. 1). N atom iast stosując hydrolizę enzym atyczną w rozdrobnionych bulw ach uzyskiw ano m niejsze ilości cukrów prostych dla genotypu: A lbik 185,12 g/L i R ubik 165,11 g/L (tab. 1). Tab. 2. przedstaw ia w pływ rodzaju hydrolizy w ęglow oda­

nów na zaw artość cukrów ferm entujących w soku z bulw topinam buru. H ydroliza kw asow a w ęglow odanów w soku pozw oliła na uzyskiw anie w yższych ilości cukrów redukujących dla genotypu: A lbik 182,14 g/L i R ubik 162,41 g/L, w porów naniu z hydrolizą enzym atyczną dla genotypu: A lbik 161,61 g/L i R ubik 146,26 g/L (tab. 2).

Zastosow anie hydrolizy kw asow ej do rozkładu w ęglow odanów w rozdrobnionych bulw ach dało lepsze efekty o około 22% w porów naniu z h y drolizą kw asow ą w ęglo­

w odanów w soku z bulw. N atom iast hydroliza enzym atyczna w ęglow odanów w roz­

drobnionych bulw ach pozw oliła na uzyskiw anie ilości cukrów prostych w yższej o około 13% niż hydroliza enzym atyczna w ęglow odanów w soku z bulw topinam buru (tab. 1, tab. 2). H ydrolizę enzym atyczną prow adzono z użyciem enzym u G am invert G.

M im o, że enzym ten charakteryzow ał się głów nie aktyw nością inw ertazy dał dobre rezultaty hydrolizy w ęglow odanów rozdrobnionych bulw i soku z bulw topinam buru porów nyw alne z danym i literaturow ym i przy zastosow aniu inulinazy [2 ]. T ak p rzy­

gotow ane rozdrobnione bulw y i sok z bulw topinam buru były podłożem do ferm entacji alkoholow ej.

N ajw yższe ilości alkoholu etylow ego uzyskiw ano z rozdrobnionych bulw topi­

nam buru genotypu A lbik z użyciem drożdży B c l6 a : 10,8% obj. etanolu, po hydrolizie kwasow ej w ęglow odanów (rys. 1). Stosując hydrolizę enzym atyczną w ęglow odanów w rozdrobnionych bulw ach przed procesem ferm entacji uzyskiw ano w ydajności eta­

nolu: dla genotypu A lbik 10,0% obj. i R ubik 8,7% obj. (rys. 2).

W w yniku ferm entacji alkoholow ej soku z bulw topinam buru przy uży ciu droż­

dży B c l6 a , uzyskiw ano następujące zaw artości alkoholu etylow ego: po hydrolizie kwasow ej w ęglow odanów dla genotypu: A lbik 8,9% obj. i R ubik 8,2% obj., a po h y ­ drolizie enzym atycznej w ęglow odanów dla genotypu: A lbik 7,1% obj. i R ubik 6,8%

obj. etanolu (rys. 3, rys. 4).

U zyskane w badaniach w ydajności alkoholu etylow ego z bulw topinam buru (H.

tuberosus L.) przy użyciu drożdży Saccharom yces cerevisiae są zbliżone lub w yższe niż podaje literatura [3, 4, 7, 18]. W iększość jed n ak tych prac dotyczy soku z bulw topinam buru, który je s t łatw iejszy w obróbce.

(7)

120 Katarzyna Szambelan P rzeprow adzone badania (rys. 1-4) dowodzą, że zarów no rozdrobnione bulwy, ja k i sok z bulw topinam buru są dobrym surow cem do otrzym yw ania z nich alkoholu etylow ego z użyciem drożdży gorzelniczych Saccharom yces cerevisiae. R óżnica m ię­

dzy k o ń cow ą zaw artością etanolu uzyskanego po ferm entacji rozdrobnionych bulw i soku z bulw zależała od różnicy zaw artości cukrów redukujących. W yższe stężenie cukrów redukujących w rozdrobnionych bulw ach topinam buru pozw oliło na otrzym y­

w anie w yższych ilości alkoholu etylow ego w porów naniu z sokiem z bulw.

Wnioski

1. Zastosow anie hydrolizy kw asem siarkow ym do rozkładu inuliny i inulidów w bulw ach topinam buru um ożliw iło uzyskiw anie w yższych ilości cukrów prostych ferm entujących w porów naniu z enzym atyczną hydrolizą za pom ocą inwertazy.

2. Ferm entacja rozdrobnionych bulw pozw oliła na pozyskiw anie w iększych ilości alkoholu etylow ego niż ferm entacja soku z bulw topinam buru (H. tuberosus L.).

3. N ajlepsze efekty ferm entacji obserw ow ano stosując genotyp A lbik oraz drożdże B c ló a zarów no dla rozdrobnionych bulw , ja k i dla soku z bulw topinam buru (.H.

tuberosus L.).

L IT E R A T U R A

[1] A ndrzejew ski M.: Zapom niana roślina upraw na - topinambur, Poradnik Gospodarski, 3, 1997, 46.

[2] Barta J.: Jerusalem artichoke as a m ultipurpose raw m aterial for food products o f high fructose or inulin content, Elsevier Science Publisher B.V., 1993.

[3] C habbert N ., Braun Ph., G uiraud J.P., A m oux M ., Galzy P.: Productivity and ferm entability o f Jeru­

salem artichoke according to harvesting date, Biomass, 3, 1983, 209.

[4] Chabbert N ., G uiraud J.P., A m oux M ., Galzy P.: The advantageous use o f an early Jerusalem arti­

choke cultivar for the production o f ethanol, Biomass, 8, 1985, 233.

[5] Chrapkow ska K .J., Góral S., Piasecki M.: O trzym ywanie syropów fruktozow ych z bulw Helianthus tuberosus L. (topinam bur), X XIV Sesja N aukow a K TiChŻ PAN, W rocław 1993, 161.

[6] D uvnjak Z., K osaric N ., H ayes R.D.: K inetics o f ethanol production from Jerusalem artichoke juice w ith som e Kluyveramycesspecies, Biotechnol. Letters, 3 (10), 1981, 589.

[7] D uvnjak Z., K osaric N ., K liza S.: Production o f alcohol from Jerusalem artichoke by yeasts, Bio­

technology and Bioengineering, 24, 1982, 2297.

[8] G óral S.: Słonecznik bulw iasty - Topinambur. U prawa i użytkow anie, Radzików 1997.

[9] G uiraud J.P., Cailland J.M ., G alzy P.: Optim ization o f alcohol production from Jerusalem artichokes, European J. Appl. M icrobiol. Biotechnol., 14, 1982, 81.

[10] Ładoński W., G ospodarek T.: Podstawowe metody analityczne produktów żywnościow ych, PWN, W arszaw a-W rocław 1986.

[11] M argaritis A., B ajpai P.: Ethanol production from Jerusalem artichoke tubers (Helianthus tuberosus) using Kluyveramyces marxianus and Saccharomyces rosei, Biotechnol. and Bioengineering, 24,

1982,941.

(8)

W YK O RZYSTANIE B U L W TO PIN A M BU R U (H ELIAN TH U S TUBEROSUS L.) D O PRODUKCJI.. 121 [12] M argaritis A., Bajpai P., Cannell E.: O ptim ization studies for the bioconversion o f Jerusalem arti­

choke tubers to ethanol and m icrobial biomass, Biotechnol. Letters, 3 (10), 1981, 595.

[13] M ays D.A., B uchanan W ., Bradford B.N., Giordano P.M.: Fuel production potential o f several agri­

cultural crops, A dvances in new crops, 1990, 260.

[14] M iller G.L.: U se o f dinitrosalicylate reagent for determination o f reducing sugar, Anal. Chem., 31, 1959, 426.

[15] Pekić B., Slavica B., Lepojevic Ź., Petrovic S.M.: Effect o f pH on the acid hydrolysis o f Jerusalem artichoke inulin, Food Chemistry, 17, 1985, 169.

[16] Pikulik R.: Poznajm y topinambur, Poradnik Gospodarski, 2, 1994, 20.

[17] R osa M .F., V ieira A.M ., Bartolomen M.L.: Production o f high concentration o f ethanol from mash, juice and pulp o f Jerusalem artichoke tubers by Kluyverom yces fra g ilis, Enzym e Microb. Technol., 8,

1986, 673.

[18] Sachs R.M ., Clifford B.L., V asavada A., Sully M.J., W illiams L.A., Ziobro G.C.: Fuel alcohol from Jerusalem artichoke, California Agriculture, 35(9-10), 1981, 4.

[19] Schorr-Galindo S., Fontana A., G uiraud J.P.: Fructose syrups and ethanol production by selective ferm entation o f inulin, Current M icrobiology, 30, 1995, 325.

[20] Swanton C.J., Cavers P.B., Clem ents D .R., M oore M.J.: The biology o f Canadian weeds. 101. H e­

lianthus tuberosus L., Can. J. Plant Sci., 72, 1992, 1367.

[21] W illiam s L.A., Ziobro G.: Processing and fermentation o f Jerusalem artichoke for ethanol produc­

tion, Biotechnol. Letters, 1982, 45.

[22] Zittan L.: Enzym atic hydrolysis o f inulin - an alternative way to fructose production, Starch, 11, 1981,373.

USING JERUSALEM ARTICHOKE (HELIANTHUS TUBEROSUS L.) TUBERS TO ETHANOL PRODUCTION BY SACCHAROMYCES CEREVISIAE

S u m m a r y

The object o f the studies w as to investigate the yield o f ethanol production from Jerusalem artichoke tubers by Saccharom yces cerevisiae·. B c l6 a and D2. Pulp and juice o f two cultivars o f Jerusalem arti­

choke: Albik and R ubik w ere used in these researches. The m aterial was used as the fermentation sub­

strate w ith prior acid and enzym atic hydrolysis o f the inulin and inulids in Jerusalem artichoke tubers and juice to ferm entable carbohydrates. The maximum quantity o f ethanol was obtained from pulp by yeast B c l6 a o f cultivar: A lbik 10,8% vol. and Rubik 9,3% vol. and from juice o f cultivar: A lbik 8,9% vol. and Rubik 8,2% vol. | | |

Cytaty

Powiązane dokumenty

Na podstawnie analizy wybranych nazw produktów chciałabym zaobserwować, w jaki sposób realizuje się owo kreowanie rzeczywistości, a jednocześnie, w jakim stopniu w  procesie

Oprócz modyfikacji powierzchni implantu stomatologicznego (Rys. 3) wpływ na powodzenie procesu osteointegracji ma technika wykonania zabiegu wprowadzania wszczepu, jego

Rozważając małą efektywność hydrolityczną soku z topinamburu w stosunku do preparatu inulinowego, nasuwa sję przypuszczenie, że sama tylko zawartość cukrów redukujących

Aktualnie intensyfikatory smaku stosuje się w celu podniesienia smakowitości żywności, w wielu gałęziach przemysłu spożywczego, w produkcji żywności gotowej i łatwej

Poziom glukozy obniżał się statystycznie istotnie w poszczególnych grupach wraz z dodatkiem mączki z topinamburu. Były natom iast zbliżone do wyników uzyskanych

Niska retencja witaminy αTP w mikrokapsułkach znajdujących się w warun- kach symulowanego płynu żołądka jest przypuszczalnie spowodowana specyficzną budową komórki

Porównanie postępu hydrolizy octanu fenylu przy użyciu drożdży liofilizowanych oraz immobili- zowanych w alginianie wapnia użytych wielokrotnie.. Comparison of the hydrolysis

Nieco mniejsze ilości badanego składnika oznaczono w bulwach zbieranych po zimowym przechowywaniu w glebie (7,0 g/100 g s.m.), jednak różnice te nie były statystycznie