О возможности применения биологически активных веществ коры осины в пивоварении

Осина ( Populus tremula L .) относится к семейству ивовых Salicaceae Lindl , входит в род тополиные Populus L ., порядку ивоцветные Salicales Lindl ., подклассу первично покровные Archichlamydeae Engl . и классу двусемядольные Dicotyledoneae Dc .

Осина является одной из быстрорастущих и неприхотливых древесных пород умеренного пояса разных стран мира. Среди лиственных пород древесины, произрастающих в России, по величине запасов (более 1,6 млрд. м3) осина занимает второе место после берёзы.

На предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленностях древесная кора скапливается в больших количествах. Кора – это одна из самых важных частей дерева. К ее важнейшим функциям относятся такие как запасающая, защитная, проводящая и опорная. Объёмная доля коры составляет от 7 до 25% в зависимости от древесной породы. В различных технологиях по переработке древесины на стадии окорки, отходы коры достигают 15% от перерабатываемой древесины, так как пока не находят рационального применения. Следовательно, изучение химического состава природных биокомплексов, выделяемых из этого сырья различными растворителями, а также применение получаемых экстрактов, имеет практическую ценность при создании технологических процессов переработки этого крупнотоннажного сырья [1, 2].

В настоящее время кора осины находит широкое применение в фармакологии и медицине [3, 4]. Кора осины обладает противовоспалительным, противоинфекционным, гастропро-текторным и противоязвенным действиями. В народной медицине отвар из осиновой коры применяют как лечебное средство при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, при кашле и простудных заболеваниях, болезнях мочевого пузыря, при желтухе, используют его наружно для лечения ожогов, различных кожных заболеваний, в том числе и экзем, а также заболеваний суставов и радикулитов [5–11].

Фракции фенолгликозидов и флавоноидов, выделенные из спиртового экстракта проявляют противоязвенную активность – снижают распространенность язвенного процесса на 40 и 50%, соответственно. Для получения данных препаратов использовался экстракт, полученный при экстракции коры осины 40% этанолом [12, 13].

Наиболее важным фактором, определяющим свойства и направления использования коры осины, является ее химический состав. Кора содержит комплекс экстрактивных веществ, обладающих биологической активностью и представляющих практически все классы органических соединений, встречающихся в растениях(витамины, ферменты, белки, жиры, эфирные масла и др.).

Ранее на кафедре химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов УГЛТУ изучалось влияние биологически активных веществ коры осины на культивирование пивных дрожжей [14].

Цель работы – изучение влияния экстракта БАВ коры осины на ферментацию пивных дрожжей Saccharomyces Cerevisiae S-33.

Материалы и методы

На первом этапе нами были получены экстракты коры осины. В качестве экстрагентов использовали воду и водно-спиртовый раствор 1:1.

Условия экстрагирования: гидромодуль – 10 г/г, температура – 40 °С, частота ультразвука – 44 кГц.

На втором этапе работы нами исследовано влияние дозировки внесения водно-спиртового экстракта коры осины на кинетические характеристики процесса ферментации, такие как, скорости роста дрожжей, потребления субстрата и биосинтеза этилового спирта.

В качестве продуцента использовали пивные дрожжи верхового брожения Safbrew S-33 французской фирмы Fermentis. Данные дрожжи обладают пониженной сбраживающей активностью, что позволяет получить пиво с более выраженным вкусом и ароматом. Дрожжи имеют хорошую флокуляционную и седиментационную способность.

Эксперименты проводили на модифицированной синтетической среде Ридер. В качестве единственного источника углерода и энергии использовали сахарозу. Исследуемые водноспиртовые экстракты коры осины вносились в дозировках 0,5 (проба № 1), 1,0 (проба № 2) и 1,5 (проба № 3) % от питательной среды. Ферментация проводилась периодическим способом при температуре 8–10 °С. Контролем являлась среда Ридер без добавления экстрактов. Контроль процесса ферментации осуществляли по физиологическим показателям дрожжей, содержанию мертвых и почкующихся клеток, содержанию в дрожжах гликогена. Содержание сахара и этилового спирта определяли химическими и физико-химическими методами анализа, принятыми в бродильной промышленности.

Результаты и обсуждение

Динамика накопления экстрактивных веществ в растворе представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние продолжительности экстрагирования коры осины на накопление экстрактивных веществ в растворе

• Figure 1.    Effect of the duration of extraction of aspen cortex on the accumulation of extractive substances in solution

Зависимость концентрации экстрактивных веществ коры осины в растворе от продолжительности экстрагирования описывается полиномиальными уравнениями:

– для водно-спиртового экстракта y = 0,0004 х3 –0,0435 х2 + 1,5911 x +0,0459 (1),

– для водного экстракта y = -0,0013 х2+0,1205 x+ 0,2695    (2).

Достоверность уравнений в обоих случаях составила 97%.

На основании результатов экстрагирования и учитывая свойства биологически активных веществ (БАВ), входящих в состав коры осины, нами рекомендовано использование водноспиртового экстракта, содержащего комплекс БАВ, таких как: микроэлементы, гликозиды, органические кислоты, дубильные вещества, аскорбиновую кислоту, каротин, жирные кислоты, пектины и лигнаны.

На рисунке 2 представлена зависимость влияния водно-спиртовых экстрактов коры осины на рост дрожжей в процессе ферментации.

Рисунок 2. Динамика роста дрожжей в процессе ферментации

• Figure 2.    Dynamics of yeast growth during fermentation

Из графика видно, что в первые шесть суток ферментации рост дрожжей при концентрации водно-спиртового экстракта коры осины 0,5% происходит аналогично контролю, далее наблюдается увеличение прироста клеток, что свидетельствует о стимулирующем эффекте БАВ коры осины биосинтетических процессов при повышенном накоплении продуктов метаболизма в стационарной фазе роста культуры. Более сильный эффект наблюдается в случае использования повышенных дозировок внесения экстрактов (пробы 2 и 3).

Характер зависимости влияния дозировки внесения водно-спиртовых экстрактов коры осины на биосинтез этанола в процессе ферментации происходит аналогичным образом (рисуно к 3) . Увеличение интенсивности образования этанола находится в прямо пропорциональной зависимости от дозировки введения экстракта.

Рисунок 3. Динамика биосинтеза этанола в процессе ферментации

Figure 3. Dynamics of ethanol biosynthesis during fermentation

Одним из важных показателей спиртового брожения является бродильная активность дрожжей, которая выражается в количестве абсолютного алкоголя (см³), вырабатываемого 1 г дрожжей. Как видно из рисунка 4 максимальные значения бродильной активности дрожжей наблюдаются на вторые сутки ферментации, причем, при использовании 1%-го водноспиртового экстракта коры осины бродильная активность дрожжей выше на 10% в сравнении с контролем (рисунок 4) . Далее бродильная активность снижается, что свидетельствует о снижении содержания питательных веществ и накоплении продуктов метаболизма, ухудшающие физиологические показатели дрожжей. Данный вывод подтверждается результатами микробиологического анализа, который показал увеличение количества мертвых дрожжей и клеток, содержащих гликоген.

Рисунок 4. Изменение бродильной активности дрожжей в процессе ферментации

Figure 4. Change in yeast fermentation activity during fermentation

В таблице 1 представлены данные, характеризующие влияние водно-спиртовых экстрактов коры осины на кинетические и технологические характеристики процесса ферментации.

Таблица 1.

Кинетические и технологические характеристики процесса ферментации

Kinetic and process specifications of the fermentation

Table 1.

Проба Sample	Максимальная удельная скорость роста дрожжей, ч-1 The maximum specific growth rate of yeast, h-1	Максимальная удельная скорость биосинтеза этанола, г/(г×ч)* The maximum specific rate of ethanol biosynthesis, g/(g×h)*	Максимальная удельная скорость потребления сахара, г/(г×ч)* The maximum specific consumption rate of sugar, g/(g×h)*	Результаты 10-суточной ферментации The results of 10-day fermentation
				Действительная степень сбраживания, % The actual degree of fermentation, %	Экономический коэффициент, г этанола/г сахара Economic coefficient, g ethanol/g sugar
Контроль Control	0,00145	0,042	0,025	37,4	0,355
Проба 1 (0,1%) Sample1 (0.1%)	0,0019	0,041	0,03	38,5	0,359
Проба 2 (0,5%) Sample 2 (0.5%)	0,0042	0,045	0,032	40,1	0,365
Проба 3 (1%) Sample 3 (1%)	0,0052	0,049	0,037	43,3	0,375

Примечание: Удельные скорости потребления субстрата и биосинтеза этанола отнесены на 1 г а.с. дрожжей.

Note: Specific rates of substrate consumption and ethanol biosynthesis are attributed to 1 g of a.s. yeast.

Как видно из таблицы, максимальные удельные скорости роста дрожжей и потребления сахара наблюдаются в случае использования водно-спиртового экстракта коры осины в дозировке 1% и составляют 0,0052 ч-1 и 0,049 г./(г×ч), соответственно. Наилучшие результаты биосинтеза этанола наблюдаются при использовании водно-спиртового экстракта коры осины в той же дозировке.

Заключение

Определены зависимости концентрации экстрактивных веществ коры осины от продолжительности экстрагирования водой и водноспиртовым раствором.

Показано, что при использовании смеси воды и спирта в соотношении 1:1