Εφαρμογή παλμικών ηλεκτρικών πεδίων υπερυψηλής πίεσης κατά τις διεργασίες παραλαβής εκχυλίσματος και β-γλυκανών από τα κύτταρα Saccharomyces cerevisiae

Τσακνιά, Σοφία; Tsaknia, Sofia

dc.contributor.author	Τσακνιά, Σοφία	el
dc.contributor.author	Tsaknia, Sofia	en
dc.date.accessioned	2020-11-16T12:36:13Z
dc.date.available	2020-11-16T12:36:13Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51925
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19623
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Saccharomyces cerevisiae	en
dc.subject	Μαγιά	el
dc.subject	Εκχύλισμα	el
dc.subject	Β-γλυκάνες	el
dc.subject	ΠΗΠ	el
dc.subject	ΥΠ	el
dc.subject	Yeast extract	en
dc.subject	B-glucans	en
dc.subject	Pulsed electric field	en
dc.subject	Ultra-high pressure	en
dc.title	Εφαρμογή παλμικών ηλεκτρικών πεδίων υπερυψηλής πίεσης κατά τις διεργασίες παραλαβής εκχυλίσματος και β-γλυκανών από τα κύτταρα Saccharomyces cerevisiae	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Application of pulsed electric fields and ultra-high pressure during the production of yeast extract and extraction of β-glucans from Saccharomyces cerevisiae cells	en
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10
heal.abstract	Η αυξανόμενη ζήτηση εκχυλίσματος μαγιάς και β-γλυκανών, από τη βιομηχανία τροφίμων και τη φαρμακευτική βιομηχανία, οδήγησε στη μελέτη μη θερμικών διεργασιών με στόχο την αύξηση της παραγωγής εκχυλίσματος μαγιάς και της περιεκτικότητας β-γλυκανών στο ίζημα της μαγιάς. Το εκχύλισμα της μαγιάς παράγεται στη βιομηχανία τροφίμων κατά κύριο λόγω μέσω της διαδικασίας της αυτόλυσης. Πρόκειται όμως για μία δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασία, κατά την οποία το ενδοκυτταρικά ένζυμα που εντοπίζονται στο κενοτόπιο της μαγιάς (πρωτεάσες, καρβοξυπεπτιδάσες και αμινοπεπτιδάσες) απελευθερώνονται στο κυτταρόπλασμα, καθιστώντας το κυτταρικό περίβλημα διαπερατό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το εκχύλισμα της μαγιάς να μπορεί να διέλθει μέσα από τους πόρους του κυτταρικού τοιχώματος στο εξωκυτταρικό περιβάλλον. Οι β-γλυκάνες που αποτελεί ένα πολυμερές δομικό συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος, παραμένει στο ίζημα της μαγιάς μαζί με άλλες ενώσεις που δεν έχουν εκχυλισθεί. Για την αύξηση της παραγωγής τους βιομηχανικά επιλέγονται διεργασίες που θα προκαλέσουν κυτταρική διάρρηξη του κυτταρικού τοιχώματος της μαγιάς, ώστε να επιταχυνθεί η διαδικασία της αυτόλυσης που θα ακολουθήσει. Τέτοιες διεργασίες είναι προσθήκη ενζύμων για ενζυμική λύση των κυττάρων, οι υπέρηχοι, η ομογενοποίηση υψηλής πίεσης, η εφαρμογή υπερυψηλής πίεσης και η χρήση παλμικών ηλεκτρικών πεδίων. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε η εφαρμογή παλμικών ηλεκτρικών πεδίων, που βασίζεται στην ηλεκτροδιάτρηση του κυτταρικού τοιχώματος, με και χωρίς την προσθήκη του πρωτεολυτικού ενζύμου της παπαΐνης, καθώς και με την εφαρμογή υπερυψηλής πίεσης που βασίζεται στη διάρρηξη του κυτταρικού τοιχώματος του ζυμομύκητα S.cerevisiae λόγω της πίεσης που του ασκείται. Για τη μελέτη της επίδρασης αυτών των διεργασιών επιλέχθηκαν διάφορες συνθήκες κατεργασίας του αιωρήματος S.cerevisiae 10% w/w και μετρήθηκαν και μοντελοποιήθηκαν ως προς το δείκτη κυτταρικής διάρρηξης (Ζ). Για τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν η ένταση του πεδίου που κυμάνθηκε από 2.9 kV/cm έως 7.3 kV/cm και ο αριθμός των παλμών που κυμάνθηκε από 10 έως 2000. Η εξάρτηση περιγράφηκε από μαθηματική σχέση της μορφής: Ζ=Ζmax∙(1-2- tPEFτd). Για την υπερυψηλή πίεση ο δείκτης κυτταρικής διάρρηξης εξετάστηκε ως προς την εφαρμογή της πίεσης που κυμάνθηκε από 200MPa έως 750MPa και ως προς το χρόνο πίεσής τους που κυμάνθηκε από 0 min έως 120 min. Η εξάρτηση περιγράφηκε από μαθηματική σχέση της : Ζ=Zmax1+e-k∙(tp-τ) . Στη μελέτη που έγινε σε ένα φάσμα τιμών δείκτη κυτταρική διάρρηξης που να περιλαμβάνει τόσο ήπιες όσο και έντονες συνθήκες κατεργασίας, επιλέχθηκε για τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία, ένταση πεδίου 3.6 kV/cm για διαφορετικούς αριθμούς παλμών, και για την υπερυψηλή πίεση εφαρμογή πίεσης 200MPa, 400MPa και 600MPa για διάφορους χρόνους πίεσης. Στη συνέχεια ακολούθησε η αυτόλυση του αιωρήματος της μαγιάς και μετρήσεις ανά τακτά χρονικά διαστήματα (0, 2, 5, 8, 16, 24h). Το κάθε δείγμα φυγοκεντρήθηκε και μετρήθηκε ως προς τις φυσικοχημικές του ιδιότητες. Το εκχύλισμα της μαγιάς εξετάστηκε ως προς το χρώμα, τα διαλυτά στερεά, το στερεό του υπόλειμμα, το γλουταμινικό οξύ, τις απελευθερωμένες πρωτεΐνες και τα ελεύθερα αμινικά άζωτα. Από αυτά οι παράμετροι του στερεού υπολείμματος, της απελευθερωμένης πρωτεΐνης και των ελεύθερων αμινικών αζώτων ανταποκρίνονται στο μοντέλο που είναι της μορφής: c_=c_{(max)}-(c_{(max)}-c_{(0)})\bullet(e^{-\ \frac{t}{\tau_}}) . Το ίζημα της μαγιάς μετριέται ως προς τις γλυκάνες και τις πρωτεΐνες. Η επεξεργασία της μαγιάς με παλμικά ηλεκτρικά πεδία για ένταση πεδίου Ε=3.6kV/cm και για πλήθος παλμών 100-1000 παλμούς τόσο παρουσία όσο και απουσία παπαΐνης, όπου και η διαπερατοποίηση του κυτταρικού τοιχώματος είναι Ζ=0-0.43, έδειξε ότι η αύξηση των παλμών κατεργασίας του αιωρήματος συντέλεσαν στην αύξηση την απόδοση του στερεού υπολείμματος, τη συγκέντρωση του γλουταμινικού οξέος, της απελευθερωμένης πρωτεΐνης στο εκχύλισμα και της περιεκτικότητας των β- γλυκανών στο ίζημα της μαγιάς και στη μείωση της περιεκτικότητας των πρωτεϊνών στο ίζημα σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά. Συγκεκριμένα η απόδοση του στερεού υπολείμματος που έγινε μέγιστη στην ανεπεξέργαστη μαγιά στις 16h αυτόλυσης όπου ήταν 50.5% έλαβε την αντίστοιχη μέγιστη τιμή επίσης στις 16h και ήταν 65.3% στο αιώρημα της μαγιάς που είχε επεξεργαστεί στους 1000 παλμούς απουσία παπαΐνης. Η μέγιστη συγκέντρωση γλουταμινικού οξέος παρουσιάστηκε στις 8h αυτόλυσης και ήταν 1.15mg/mL για την ανεπεξέργαστη μαγιά και 2.50mg/mL για τη μαγιά που είχε επεξεργαστεί στους 750 παλμούς παρουσία παπαΐνης. Οι πρωτεΐνες του εκχυλίσματος έλαβαν μέγιστη τιμή στις 16h αυτόλυσης και ήταν ίσες με 14.1mg/mL για την ανεπεξέργαστη μαγιά και 29.4mg/mL για τη μαγιά που είχε επεξεργαστεί στους 250 παλμούς παρουσία παπαΐνης. Η χρήση της παπαΐνης συνέβαλε στην υδρόλυση των πρωτεϊνών, αρχικά αυτών του κυτταρικού τοιχώματος και μετά τη διαπερατοποίηση του τοιχώματος και των ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών, και τη μεταφορά τους στο εκχύλισμα με αποτέλεσμα να μειωθούν σημαντικά οι πρωτεΐνες που παρέμειναν στο ίζημα της μαγιάς. Συγκεκριμένα η περιεκτικότητα των πρωτεϊνών έγινε ελάχιστη στις 24h αυτόλυσης και ήταν ίση με 25.8% g/g ξ.β. ιζήματος για την ανεπεξέργαστη μαγιά και με 15.5% g/g ξ.β. ιζήματος για τη μαγιά που είχε επεξεργαστεί στους 250 παλμούς παρουσία παπαΐνης. Τέλος η περιεκτικότητα των β- γλυκανών έγινε μέγιστη στις 24h αυτόλυσης για την ανεπεξέργαστη μαγιά και ήταν ίση με 17.0% g/g ξ.β. ιζήματος και με 27.4% g/g ξ.β. ιζήματος για τη μαγιά που έχει επεξεργαστεί στους 250 παλμούς παρουσία παπαΐνης. Η αύξηση της πίεσης κατεργασίας του αιωρήματος μαγιάς με υπερυψηλή πίεση μέχρι και τα 400MPa συντέλεσε στην αύξηση την απόδοση του στερεού υπολείμματος, τη συγκέντρωση του γλουταμινικού οξέος, της απελευθερωμένης πρωτεΐνης στο εκχύλισμα, και στη μείωση της περιεκτικότητας των πρωτεϊνών στο ίζημα σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά. Το στερεό υπόλειμμα αυξήθηκε κατά 10.9% και η απόδοση του ήταν ίση με 61.4% για εφαρμογή πίεσης 400MPa και χρόνο πίεσης 10min σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά στις 16h αυτόλυσης. Η μέγιστη συγκέντρωση γλουταμινικού οξέος παρουσιάστηκε στις 8h αυτόλυσης και ήταν αυξημένη κατά 39% και ίση με 1.6mg/mL για εφαρμογή πίεσης 200MPa και χρόνο παραμονής 10min σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά. Οι πρωτεΐνες του εκχυλίσματος λαμβάνουν μέγιστη τιμή στις 2h αυτόλυσης που είναι αυξημένες κατά 22% και ίσες με 17.2mg/mL για εφαρμογή πίεσης 400MPa και χρόνο πίεσης 16min σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά στις 16h αυτόλυσης. H περιεκτικότητα των πρωτεϊνών του ιζήματος γίνεται ελάχιστη στις 8h αυτόλυσης και είναι ίση με 14.2% g/g ξ.β. ιζήματος για εφαρμογή πίεσης 400MPa και χρόνο πίεσης 10min, δηλαδή είναι μειωμένη κατά 11.6% σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά στις 24h αυτόλυσης. Τέλος η περιεκτικότητα των β- γλυκανών γίνεται μέγιστη στις 16h αυτόλυσης και είναι ίση με 29.4% g/g ξ.β. ιζήματος για εφαρμογή πίεσης 200MPa και χρόνο πίεσης 10min, δηλαδή είναι αυξημένη κατά 12.4% σε σχέση με την ανεπεξέργαστη μαγιά στις 24h αυτόλυσης. Ως συμπέρασμα οι διεργασίες των παλμικών ηλεκτρικών πεδίων και της υπερυψηλής πίεσης θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν ως κατάλληλες τεχνολογίες για βιομηχανική χρήση στην αξιοποίηση τη μαγιάς για τον εμπλουτισμό του εκχυλίσματός της και την αύξηση της περιεκτικότητάς της σε β-γλυκάνες στο ίζημά της. Με βάση τα αποτελέσματα, αποδείχτηκε πως προκάλεσαν σημαντική ενίσχυση της εκχύλισης, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των ενδοκυτταρικών συστατικών της μαγιάς στο εκχύλισμα, ενώ μείωσαν σημαντικά το χρόνο της εκχύλισης. Τέλος, η επίδραση τους στο ίζημα της μαγιάς φάνηκε να είναι έντονη καθώς μείωσαν την περιεκτικότητά του σε πρωτεΐνη και την αύξησαν σε β-γλυκάνες.	el
heal.abstract	The increasing demand for yeast extract, from the food industry, and β-glucan, from the pharmaceutical industry, has led to the study of non-thermal processes aiming at the increase of the yeast extract production and the β-glucan content in the yeast pellet. Yeast extract is produced in the food industry mainly with the autolysis method. On account of the cost and the time-consume of the method, in which the intracellular enzymes found in the yeast vacuum (proteases, carboxypeptidases and aminopeptidases) are released to the cytoplasm, making the cell membrane permeable. This results in permitting the yeast extract to pass through the pores of the cell wall into the extracellular environment. β-glucan, which is a polymeric structural component of the cell wall, remains in the yeast pellet along with those substances that have not been entrapped in its extract. To increase the production of these two substances, the industrial processes that are selected cause cell disruption of the cell wall of the yeast, in order to accelerate the process of autolysis that will follow. Such processes include the addition of enzymes for cell enzyme lysis, ultrasound, high-pressure homogenization, the application of ultra-high pressure, and the use of pulsed electric fields. In the present work we studied the application of pulsed electric fields, based on the electroporation of the cell wall, with and without the addition of the proteolytic enzyme papain, as well as the application of ultra-high pressure based on the rupture of the cell wall due to pressure on the cell wall. yeast wall of S.cerevisiae. To study the effect of these processes, different treatment conditions of S. cerevisiae suspension of 10% w/w were selected and measured and modeled for cell disruption index (Z). For the pulsed electric fields the parameters studied were the field strength ranging from 2.9 kV/cm to 7.3 kV/cm and the number of pulses ranging from 10 to 2000 which correspond to the model which is of the form; Ζ=Ζmax∙(1-2- tPEFτd). For the ultra-high pressure the cell rupture index was examined in terms of the application of the pressure ranging from 200MPa to 750MPa and in terms of their pressure time ranging from 0 min to 120 min which correspond to the model which is of the form: Ζ=Zmax1+e-k∙(tp-τ) In the study to obtain the cell disruption index values belonging to a range that includes both mild and intense treatment conditions, the pulse electric fields were selected for a field strength of 3.6 kV/cm for a number of pulses, and for ultra-high pressure application of 200MPa, 400MPa and 600MPa for various pressure times. This was followed by autolysis of the yeast suspension and sampling at regular intervals (0, 2, 5, 8, 16, 24h). Each sample was centrifuged and measured for its physicochemical properties. The yeast extract was studied for its color, soluble solids, solid residue, glutamic acid, released proteins and free amine nitrogen. From these the parameters of the solid residue, the released protein and the free amine nitrogen correspond to the model which is of the form: c_=c_{(max)}-(c_{(max)}-c_{(0)})\bullet(e^{-\ \frac{t}{\tau_}}). Yeast pellet is measured in terms of glucans and proteins. Treatment of yeast with pulsed electric fields for field strength E = 3.6kV/cm and for a number of pulses 100-1000 pulses both in the presence and absence of papain, where the permeability of the cell wall is Z = 0-0.43, showed that the increase of the suspension treatment pulses increased the yield of the solid residue, the concentration of glutamic acid, the protein released into the extract and the β-glucan content of the yeast pellet and the reduction of the protein content yeast. Specifically, the yield of the solid residue that became maximum in the unprocessed yeast at 16h autolysis where it was 50.5% received the corresponding maximum value also at 16h and was 65.3% in the suspension of yeast that had been treated at 1000 pulses in the absence of papain. The maximum glutamic acid concentration occurred at 8h of autolysis and was 1.15 mg/mL for unprocessed yeast and 2.50 mg/mL for yeast treated at 750 pulses in the presence of papain. Extract proteins also peaked at 16h of autolysis and were equal to 14.1mg/mL for unprocessed yeast and 29.4mg/mL for yeast treated at 250 pulses in the presence of papain. It should be noted here that the use of papain contributed to the hydrolysis of proteins, initially those of the cell wall and after permeation of the wall and intracellular proteins, and their transfer to the extract resulting in a significant reduction of the proteins remaining in the cell. yeast. Specifically, the protein content became minimal at 24h autolysis and was equal to 25.8% g/g d.w. pellet for unprocessed yeast and with 15.5% g/g pellet for yeast treated at 250 pulses in the presence of papain. Finally, the β-glucan content was maximized at 24h autolysis for the raw yeast and was equal to 17.0% g/g d.w. pellet and with 27.4% g/g d.w. pellet for yeast treated at 250 pulses in the presence of papain. High pressure yeast treatment showed that increasing the suspension processing pressure up to 400MPa increased the yield of the solid residue, the concentration of glutamic acid, the protein released into the extract, and the reduction in protein content. in relation to unprocessed yeast. At the same time, it should be noted that there was no difference in the content of β-glucan in the yeast pellet compared to unprocessed yeast. Specifically, the yield of the solid residue increased by 10.9% and equal to 61.4% for a pressure application of 400MPa and a pressure time of 10min compared to the raw yeast at 16h autolysis. The maximum concentration of glutamic acid occurred at 8h of autolysis and was increased by 39% and equal to 1.6mg/mL for application of pressure 200MPa and residence time of 10min compared to unprocessed yeast. Also, the proteins of the extract receive a maximum value at 2h of autolysis which is increased by 22% and equal to 17.2mg/mL for application of pressure 400MPa and pressure time of 16min in relation to the raw yeast at 16h of autolysis. The protein content of the pellet becomes minimal at 8h of autolysis and is equal to 14.2% g/g d.w. pellet for application of pressure 400MPa and pressure time 10min, it is increased by 11.6% compared to the raw yeast in the 24h autolysis. Finally, the β-glucan content reaches a maximum at 16h of autolysis and is equal to 29.4% g/g d.w. pellet for application of pressure 200MPa and pressure time 10min, it is increased by 12.4% compared to the unprocessed yeast in the 24h autolysis. Finally, the processes of pulsed electric fields and high pressure could be characterized as suitable technologies for industrial use in the utilization of yeast for the enrichment of its extract and the increase of its β-glucan content in its pellet. Based on the results, it was shown that they caused a significant enhancement of the extraction, increasing the concentration of intracellular yeast components in the extract, while significantly reducing the extraction time. Finally, their effect on yeast pellet appeared to be strong as they reduced its protein content and increased it to β-glucan.	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	126 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false