Επίδραση της Υπερυψηλής Πίεσης στη μαγιά αρτοποιίας (Saccharomyces cerevisiae) και στη διεργασία της αυτόλυσης για την παραλαβή εκχυλίσματος μαγιάς - Λημναίος, Αθανάσιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων, 2018)
Το εκχύλισμα μαγιάς είναι ένα από τα σημαντικότερα προϊόντα τα οποία παραλαμβάνονται από το είδος ζύμης Saccharomyces cerevisiae, τη γνωστή μαγιά αρτοποιίας. Το εκχύλισμα μαγιάς τυγχάνει ευρείας χρήσης στη βιομηχανία τροφίμων, ως βασικός παράγων ενίσχυσης γεύσης. Το εκχύλισμα μαγιάς προστίθεται σε διάφορα τρόφιμα, κυρίως σάλτσες και σούπες, και προσδίδει σε αυτά «νοστιμιά», ενισχύοντας τη γεύση umami. Η βασική μέθοδος παραγωγής του εκχυλίσματος μαγιάς είναι η διεργασία της αυτόλυσης. Κατά την αυτόλυση, το αιώρημα μαγιάς τοποθετείται σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας, περί τους 52 ℃, οπότε, υπό την επίδραση των ενδοκυτταρικών πρωτεολυτικών ενζύμων που ενεργοποιούνται υπό τις συνθήκες αυτές, επέρχεται η λύση του κυττάρου και η απελευθέρωση διαφόρων ενδοκυτταρικών συστατικών, κυρίως πρωτεϊνών, υδατανθράκων και νουκλεϊκών οξέων. Οι ουσίες αυτές, με κύρια το γλουταμινικό οξύ, είναι αυτές που προσδίδουν στο εκχύλισμα μαγιάς τις αρωματικές ιδιότητες του ενισχυτικού γεύσης. Με τη διεργασία της αυτόλυσης παράγονται εκχυλίσματα μαγιάς, τα οποία έχουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά για χρήση στη βιομηχανία τροφίμων. Σε αντίθεση με τα εκχυλίσματα μαγιάς τα οποία παράγονται με πλασμόλυση και υδρόλυση, αυτά που παράγονται με αυτόλυση έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε νάτριο, η παραγωγή τους δεν απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό, ενώ δεν χρησιμοποιούνται διαλύτες, οι οποίοι πρέπει κατόπιν ν’ απομακρυνθούν. Ωστόσο, ένα αρνητικό χαρακτηριστικό της διεργασίας της αυτόλυσης αποτελεί η βραδύτητά της, καθώς απαιτούνται πολλές ώρες προκειμένου να ολοκληρωθεί. Η υπερυψηλή πίεση αποτελεί μια καινοτόμο τεχνολογία μη θερμικής επεξεργασίας τροφίμων, η οποία, μεταξύ άλλων, έχει βρεθεί ότι συμβάλλει στην αύξηση της ενεργότητας των πρωτεολυτικών ενζύμων. Επιπλέον, έχει διαπιστωθεί ότι η επεξεργασία της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση οδηγεί στη διάρρηξη του κυτταρικού τοιχώματος, με αποτέλεσμα τη διαπερατοποίηση των κυττάρων και την ευκολότερη εκχύλιση των ενδοκυτταρικών ουσιών από τα κύτταρα της μαγιάς. Δεδομένου, λοιπόν, ότι οι πρωτεάσες διαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο στη διεργασία της αυτόλυσης και ότι η διαπερατότητα του κυτταρικού τοιχώματος καθορίζει την εκχύλιση των ενδοκυτταρικών ουσιών που παράγονται κατά την αυτόλυση προς το εξωκυτταρικό περιβάλλον, στην παρούσα μελέτη διερευνήθηκε η χρησιμοποίηση της υπερυψηλής πίεσης ως μια εναλλακτική μέθοδος επεξεργασίας της μαγιάς, προκειμένου να επιτευχθεί η βελτίωση και επιτάχυνση της διεργασίας της αυτόλυσης για την παραλαβή εκχυλίσματος μαγιάς. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε η διεργασία της υπερυψηλής πίεσης προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση που έχει στη διεργασία της αυτόλυσης της μαγιάς αρτοποιίας και στα χαρακτηριστικά του εκχυλίσματος μαγιάς που παραλαμβάνεται από την διεργασία αυτήν. Αρχικά, μελετήθηκε η επίδραση της υπερυψηλής πίεσης στην ολική ενεργότητα των πρωτεολυτικών ενζύμων, τα οποία υπάρχουν στα κύτταρα της μαγιάς και διαδραματίζουν μείζονα ρόλο στη διεργασία της αυτόλυσης. Το εύρος των πιέσεων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το στάδιο ήταν από 200 MPa έως 750 MPa, οι χρόνοι επεξεργασίας ήταν από 0 min έως 120 min και η θερμοκρασία επεξεργασίας ήταν αυτή του περιβάλλοντος. Από τη μελέτη αυτή παρατηρήθηκε ότι στο χαμηλό εύρος των υπερυψηλών πιέσεων, μέχρι τα 400 MPa, τα πρωτεολυτικά ένζυμα της μαγιάς ενεργοποιούνται, με την ολική τους ενεργότητα να ανέρχεται σε έως και 2,7 φορές αυτής των ανεπεξέργαστων ενζύμων, ύστερα από 60 min πίεσης. Σε μέσο εύρος υπερυψηλών πιέσεων, από 400 MPa έως 550 MPa, παρατηρήθηκε μια αρχική ενεργοποίηση των πρωτεολυτικών ενζύμων, για μικρούς χρόνους πίεσης, έως περίπου τα 10 min. Όμως, για μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας παρατηρήθηκε μια βαθμιαία μείωση της πρωτεολυτικής ενεργότητας. Τέλος, σε υψηλότερες πιέσεις, μέχρι τα 750 MPa, παρατηρήθηκε μείωση της ενεργότητας των πρωτεολυτικών ενζύμων, η οποία ήταν περισσότερο ραγδαία, όσο αυξανόταν το επίπεδο της πίεσης. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της υπερυψηλής πίεσης στη διάρρηξη των κυττάρων της μαγιάς, η οποία συμβάλλει επίσης στη διεργασία της αυτόλυσης, και υπολογίσθηκε ο δείκτης κυτταρικής διάρρηξης (Z). Σε αυτό το στάδιο της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες συνθήκες πίεσης, χρόνου και θερμοκρασίας επεξεργασίας, όπως και στη μελέτη της ενεργότητας των πρωτεολυτικών ενζύμων. Σε χαμηλό εύρος υπερυψηλών πιέσεων, έως τα 200 MPa, δεν παρατηρήθηκε σημαντική διάρρηξη των κυττάρων της μαγιάς, υπό την επίδραση της πίεσης. Όμως, για υψηλότερα επίπεδα πιέσεων παρατηρήθηκε μεγαλύτερη κυτταρική διάρρηξη, η οποία, αυξανομένης της πίεσης, έλαβε μέγιστες τιμές οι οποίες ήταν ολοένα και υψηλότερες, ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνονταν ταχύτερα, με συντομότερη επεξεργασία. Η μεταβολή του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης συναρτήσει του χρόνου επεξεργασίας με υπερυψηλή πίεση μοντελοποιήθηκε μαθηματικά, χρησιμοποιώντας το σιγμοειδές μοντέλο Z=Ze/(1+e^(−k*(t-τ))), όπου Ζ o δείκτης κυτταρικής διάρρηξης, Ze ο μέγιστος δείκτης κυτταρικής διάρρηξης που επιτυγχάνεται σε ακραίες συνθήκες επεξεργασίας (750 MPa,30 min) και k και τ παράμετροι του μαθηματικού μοντέλου. Σε δεύτερη φάση, μελετήθηκε η επίδραση της υπερυψηλής πίεσης στα χαρακτηριστικά του εκχυλίσματος μαγιάς, το οποίο παρήχθη με τη διεργασία της αυτόλυσης επεξεργασμένης ή μη μαγιάς. Τα χαρακτηριστικά του εκχυλίσματος μαγιάς που μελετήθηκαν ήταν η συγκέντρωση πρωτεϊνών, τόσο των ολικών πρωτεϊνών, όσο και των αμινοξέων και ολιγοπεπτιδίων (μονο-, δι- και τριπεπτίδια), η συγκέντρωση ολικών υδατανθράκων, το στερεό υπόλειμμα, τα ολικά διαλυμένα στερεά και το χρώμα. Οι συνθήκες επεξεργασίας οι οποίες επελέγησαν και μελετήθηκαν ήταν τα 200 MPa για 0−60 min, τα 400 MPa για 0−40 min και τα 600 MPa για 0−30 min. Όλες οι επεξεργασίες με υπερυψηλή πίεση πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η επιλογή των συνθηκών αυτών έγινε ύστερα από τη μελέτη της επίδρασης της υπερυψηλής πίεσης στην ενεργότητα των συνολικών πρωτεολυτικών ενζύμων της μαγιάς και στον δείκτη κυτταρικής διάρρηξης (Z). Η επιλογή αυτή έγινε βάσει των αποτελεσμάτων τα οποία προέκυψαν, επιλέγοντας συνθήκες με ποικίλους συνδυασμούς ενεργότητας πρωτεολυτι-κών ενζύμων και δείκτη κυτταρικής διάρρηξης. Από την παρούσα έρευνα προέκυψε ότι η επεξεργασία της μαγιάς αρτοποιίας με υπερυψηλή πίεση στα 200 MPa είχε ευεργετικά αποτελέσματα στη συγκέντρωση ολικών πρωτεϊνών, αμινοξέων και υδατανθράκων του εκχυλίσματος μαγιάς, επιτυγχάνοντας υψηλότερη τελική συγκέντρωση, σε συντομότερο χρόνο αυτόλυσης. Από την άλλη, σχεδόν αμετάβλητα παρέμειναν τόσο το στερεό υπόλειμμα, όσο και η περιεκτικότητα σε ολικά διαλυτά στερεά του εκχυλίσματος μαγιάς επεξεργασμένης στα 200 MPa, σε σύγκριση με αυτό της ανεπεξέργαστης μαγιάς. Επίσης, παρατηρήθηκε σημαντική μεταβολή στο χρώμα του εκχυλίσματος μαγιάς, το οποίο γινόταν ολοένα και πιο σκούρο, με την αύξηση του χρόνου επεξεργασίας της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση. Η επεξεργασία της μαγιάς στα 400 MPa επέφερε ακόμα καλύτερα αποτελέσματα, όσον αφορά στη συγκέντρωση ολικών πρωτεϊνών, αμινοξέων και υδατανθράκων του εκχυλίσματος μαγιάς. Οι τελικές συγκεντρώσεις που επετεύχθησαν ήταν ακόμα υψηλότερες από αυτές στα 200 MPa, ενώ αυτό συνέβη σε ακόμα συντομότερο χρόνο αυτόλυσης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε αύξηση του στερεού υπολείμματος του εκχυλίσματος μαγιάς, ενώ τα ολικά διαλυτά στερεά μετεβλήθησαν μεν ελάχιστα, ωστόσο η τελική τους συγκέντρωση επετεύχθη σε πολύ συντομότερο χρονικό διάστημα, κατά την διάρκεια της αυτόλυσης. Το διάστημα αυτό γινόταν όλο και μικρότερο, με την αύξηση του χρόνου επεξεργασίας με υπερυψηλή πίεση. Επίσης, παρατηρήθηκε ακόμα μεγαλύτερη μεταβολή του χρώματος του εκχυλίσματος μαγιάς, το οποίο σκούραινε περισσότερο, όσο αυξανόταν ο χρόνος επεξεργασίας της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση. Τέλος, η επεξεργασία της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση στα 600 MPa είχε διαφορετική επίδραση σε κάθε χαρακτηριστικό του εκχυλίσματος μαγιάς. Όσον αφορά στη συγκέντρωση ολικών πρωτεϊνών, αυτή μετρήθηκε αυξημένη στα εκχυλίσματα μαγιάς για χρόνους επεξεργασίας έως 2,5 min και μειωμένη για μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας, συγκριτικά με το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς. Η συγκέντρωση αμινοξέων και ολιγοπεπτιδίων παρατηρήθηκε αυξημένη μόνο με στιγμιαία επεξεργασία της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση, ενώ για μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας, αυτή μειωνόταν. Αναφορικά με το στερεό υπόλειμμα, αυτό ήταν μεγαλύτερο στο εκχύλισμα μαγιάς επεξεργασμένης στιγμιαία, ίσο με αυτό της ανεπεξέργαστης μαγιάς στο εκχύλισμα μαγιάς επεξεργασμένης για 2,5 min και μικρότερο στα εκχυλίσματα μαγιάς επεξεργασμένης με υπερυψηλή πίεση για μεγαλύτερο χρόνο, συγκριτικά με το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς. Η συγκέντρωση ολικών διαλυτών στερεών μετρήθηκε ολοένα και μικρότερη, όσο αυξανόταν ο χρόνος επεξεργασίας. Επίσης, το χρώμα μετρήθηκε πιο σκούρο στο εκχύλισμα μαγιάς επεξεργασμένης στιγμιαία, ενώ τα εκχυλίσματα μαγιάς επεξεργασμένης για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα ήταν περισσότερο ανοιχτόχρωμα από αυτό της ανεπεξέργαστης μαγιάς. Μόνον η συγκέντρωση ολικών υδατανθράκων παρατηρήθηκε αρκετά πιο αυξημένη στα εκχυλίσματα επεξεργασμένης μαγιάς, αναλογικά με τον χρόνο επεξεργασίας. Η μεταβολή όλων των χαρακτηριστικών του εκχυλίσματος μαγιάς, πλην της συγκέντρωσης ολικών υδατανθράκων, συναρτήσει του χρόνου κατά τη διάρκεια της αυτόλυσης μοντελοποιήθηκαν μαθηματικά, με τη σχέση X=X0−(Xe−X0)*(1−e^(−t/τ)), όπου X το εκάστοτε μετρούμενο μέγεθος, X0 η αρχική τιμή του μετρούμενου μεγέθους, κατά την έναρξη της αυτόλυσης, Xe η τελική τιμή του μετρούμενου μεγέθους, μετά το πέρας της αυτόλυσης και τ παράμετρος της εξίσωσης. Επιπλέον, για την καλύτερη απεικόνιση και σύγκριση της μεταβολής των ανωτέρω χαρακτηριστικών του εκχυλίσματος μαγιάς με την πίεση και τον χρόνο επεξεργασίας, υπολογίσθηκαν δύο εμπειρικές παράμετροι, σε κάθε συνθήκη επεξεργασίας. Η μία παράμετρος συμβολίσθηκε ως t90 και εξέφρασε τον ισοδύναμο χρόνο για την επίτευξη τιμής του εκάστοτε μετρούμενου μεγέθους ίσης με το 90 % της τελικής τιμής του μεγέθους για το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς. Η παράμετρος t90 υπολογίσθηκε, σύμφωνα με την εξίσωση t90=−τ*ln((Xe−0,9*Xe(UT))/(Xe−X0)), όπου Xe(UT) η τελική τιμή του μετρούμενου μεγέθους για το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς, μετά το πέρας της αυτόλυσης. Η άλλη παράμετρος συμβολίσθηκε ως y και εξέφρασε τo ποσοστό της τιμής του μετρούμενου μεγέθους η οποία επιτυγχάνεται κατά τον χρόνο t90 του εκχυλίσματος ανεπεξέργαστης μαγιάς, προς το 90 % της τελικής τιμής του μεγέθους για το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς. Η παράμετρος y υπολογίσθηκε, σύμφωνα με τη σχέση y=[(X0+(Xe−X0)*(1−e^(−t90(UT)/τ)))/(0,9*Xe(UT))]*100 %, όπου t90(UT) ο ισοδύναμος χρόνος t90 για το εκχύλισμα ανεπεξέργαστης μαγιάς. Η γενικότερη επίδραση της υπερυψηλής πίεσης στη διεργασία της αυτόλυσης ποσοτικοποιήθηκε μέσω του ορισμού δύο μεγεθών· της διάρκειας της αυτόλυσης (taut) και της απόδοσης της αυτόλυσης (yaut). Η διάρκεια και η απόδοση της αυτόλυσης ορίσθηκαν μέσω του βραδύτερου σταδίου της διεργασίας, το οποίο ήταν η απελευθέρωση αμινοξέων και ολιγοπεπτιδίων, όπως παρατηρήθηκε. Εξάλλου, το στάδιο αυτό αποτελεί το πλέον σημαντικό στάδιο της αυτόλυσης, καθώς τα αμινοξέα, κυρίως το γλουταμινικό οξύ, είναι αυτά που προσδίδουν στο εκχύλισμα μαγιάς τις ζητούμενες αρωματικές ιδιότητες. Παρατηρήθηκε ότι η επεξεργασία της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση στα 200 MPa και στα 400 MPa μείωσε τη διάρκεια της αυτόλυσης, η οποία παρατηρήθηκε ότι γινόταν ολοένα και μικρότερη με την αύξηση της πίεσης και του χρόνου επεξεργασίας. Η διάρκεια της αυτόλυσης μειώθηκε από 19,6 h στην περίπτωση της ανεπεξέργαστης μαγιάς σε 9,94 h και 5,90 h στην περίπτωση επεξεργασίας της μαγιάς στα 200 MPa για 60 min και στα 400 MPa για 40 min, αντίστοιχα. Παράλληλα, στις ίδιες συνθήκες επεξεργασίας, η απόδοση της αυτόλυσης αυξήθηκε κατά 18 % και 33 %, αντίστοιχα. Ωστόσο, στην περίπτωση επεξεργασίας της μαγιάς στα 600 MPa παρατηρήθηκε αύξηση της διάρκειας της αυτόλυσης και μείωση της απόδοσης. Οι μεταβολές αυτές είναι σε ευθεία συνάρτηση με την αντίστοιχη ενεργοποίηση των πρωτεολυτικών ενζύμων στα 200 MPa και στα 400 MPa και την απενεργοποίηση στα 600 MPa. Συμπερασματικά, με την παρούσα μελέτη παρατηρήθηκε ότι η επεξεργασία της μαγιάς αρτοποιίας με υπερυψηλή πίεση επιδρά θετικά στη διεργασία της αυτόλυσης, για την παραγωγή εκχυλίσματος μαγιάς, στο χαμηλό εύρος υπερυψηλών πιέσεων. Με επεξεργασία της μαγιάς έως τα 400 MPa παρατηρείται αύξηση της ενεργότητας των πρωτεολυτικών ενζύμων και διαπερατοποίηση των κυττάρων της μαγιάς. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην επιτάχυνση της διεργασίας της αυτόλυσης και στην παραγωγή εκχυλίσματος μαγιάς με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, όπως αυξημένη συγκέντρωση πρωτεϊνών, αμινοξέων και υδατανθράκων. Στα 600 MPa παρατηρήθηκαν τα αντίθετα φαινόμενα. Ως συνέχεια της παρούσας έρευνα και βάσει των αποτελεσμάτων αυτής, κρίνεται ενδιαφέρουσα η σύγκριση της επεξεργασίας της μαγιάς με υπερυψηλή πίεση και με άλλες μεθόδους μη θερμικής επεξεργασίας, όπως τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία (PEF). Επίσης θα μπορούσε να μελετηθεί η επίδραση της υπερυψηλής πίεσης στη μαγιά ζυθοποιίας και να συγκριθεί με τη μαγιά αρτοποιίας, αλλά και να διερευνηθεί η αξιοποίηση του ιζήματος των κυττάρων μαγιάς για την παραλαβή άλλων ουσιών, όπως β-γλυκάνες.