| Περίληψη: | Το τυρόγαλα, ως το κύριο απόβλητο της βιομηχανίας παραγωγής γαλακτοκομικών προϊόντων, δημιουργείται καθημερινά κατά τόνους και αποτελεί ένα ευαίσθητο περιβαλλοντικό πρόβλημα. Λόγω του υψηλού κόστους επεξεργασίας του, πολλές μικρομεσαίες τυροκομικές επιχειρήσεις απορρίπτουν μεγάλες ποσότητες τυρογάλακτος απευθείας στους πλησιέστερους υγρούς αποδέκτες, προκαλώντας ευτροφισμό στα αντίστοιχα οικοσυστήματα. Το τυρόγαλα είναι σημαντικός ρυπαντής του περιβάλλοντος καθώς περιέχει υψηλή συγκέντρωση λακτόζης (4,8-5,3% w/w), που του προσδίδει υψηλό ρυπαντικό φορτίο. Τα τελευταία είκοσι χρόνια επιστημονική και βιομηχανική έρευνα έχουν εστιάσει στη διαχείριση και στην επεξεργασία του τυρογάλακτος μέσα από την ανάπτυξη αποτελεσματικών διαδικασιών βιομετατροπής της λακτόζης σε αιθανόλη, οξέα κ.ά., χημικές ουσίες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την παρασκευή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας και ενέργειας με ταυτόχρονη μείωση του ρυπαντικού του φορτίου.
Η μικτή φυσική καλλιέργεια κεφίρ, αποτελείται κυρίως από γαλακτικά βακτήρια και ζύμες, τα οποία πραγματοποιούν στο τυρόγαλα ταυτόχρονα γαλακτική και αλκοολική ζύμωση προς παραγωγή αξιοποιήσιμων προϊόντων. Βιοτεχνολογικές τεχνικές, όπως η ακινητοποίηση κυττάρων κεφίρ σε πορώδη, κυτταρινούχα, αγροτοβιομηχανικά απόβλητα (μίσχους σταφυλιών, ριζίδια ή φλοιούς βύνης κ.ά.) έχουν επίσης αναπτυχθεί, βελτιώνοντας αποτελεσματικά το ρυθμό της ζύμωσης, μειώνοντας το κόστος και αξιοποιώντας πληθώρα βιομηχανικών αποβλήτων που είναι άφθονα, φθηνά, εύκολα διαθέσιμα και συχνά απορρίπτονται στο περιβάλλον. Επιπρόσθετα, η χρήση λακτόζης επισημασμένης με 14C για την μελέτη του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης του τυρογάλακτος από τα κύτταρα του κεφίρ, βοηθά στην εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων για τη ζυμωτική ικανότητα των μικροοργανισμών και την ταχύτητα της ζύμωσης.
Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την παραγωγή γαλακτικού οξέος μέσω ζύμωσης τυρογάλακτος με κεφίρ παρουσία ή όχι στερεών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων [φλοιοί βύνης (brewer’s spent grains; BSG, πριονίδι, μεσοκάρπιο πορτοκαλιού] ως πιθανών προωθητών της ζύμωσης. Η παρασκευή γαλακτικού οξέος με ζύμωση τυρογάλακτος παρουσιάζει πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χημική σύνθεσή αυτού, καθώς παράγεται οπτικά ενεργό, καθαρό γαλακτικό οξύ που αποτελεί πολύτιμη πρώτη ύλη στη χημική και φαρμακευτική βιομηχανία. Επίσης, μελετάται, ο ρόλος του ρυθμού πρόσληψης της λακτόζης του τυρογάλακτος από τα κύτταρα του κεφίρ στην ταχύτητα της ζύμωσης και ταυτόχρονα προσδιορίζεται το ποσοστό μείωσης του οργανικού φορτίου στο ζυμωμένο τυρόγαλα.
Αρχικά, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες φυσικοχημικές συνθήκες (pH, θερμοκρασία) για τη ζύμωση της λακτόζης με κεφίρ, πραγματοποιώντας ζυμώσεις σε συνθετικό θρεπτικό μέσο λακτόζης (5% w/v λακτόζη) με 6 g κεφίρ, (i) σε διάφορες θερμοκρασίες (35, 37, 40 και 42oC) με σταθερό pH 5,5 και (ii) σε ποικίλες τιμές pH (4,5, 5,5 και 7) και σε σταθερή θερμοκρασία 37οC. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ζύμωση τυρογάλακτος με ελεύθερα κύτταρα κεφίρ, καθώς και η επίδραση στη ζύμωση αυτή της προσθήκης στο τυρόγαλα διαφόρων στερεών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων σε ποικίλες ποσότητες (120, 140 και 160 g) με σταθερό pH 5,5 σε θερμοκρασία 37oC. Επίσης, σε αρκετές ζυμώσεις προσδιορίσθηκε και ο ρυθμός πρόσληψης της λακτόζης από το κεφίρ με χρήση λακτόζης επισημασμένης με 14C και μέτρηση του ραδιοϊχνηθέτη σε υγρό απαριθμητή σπινθηρισμών. Η παραγωγή γαλακτικού οξέος και η κινητική των ζυμώσεων προσδιορίστηκαν με μέτρηση της συγκέντρωσης του γαλακτικού οξέος και του αζύμωτου σακχάρου σε τακτά χρονικά διαστήματα με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης, (HPLC). Τα πτητικά παραπροϊόντα κατά τη ζύμωση μετρήθηκαν με χρήση αέριας χρωματογραφίας με φασματογράφο μάζας, (GC-MS). Το πορώδες της επιφάνειας των χρησιμοποιούμενων αποβλήτων ελέγχθηκε με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Τέλος, για τη μελέτη μείωσης του οργανικού φορτίου του τυρογάλακτος, προσδιορίστηκε στην αρχή και στο τέλος των ζυμώσεων με τη μέθοδο Winkler και με την τυποποιημένη μέθοδο της HACH το Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD5) και το Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνο (COD), αντίστοιχα, του ζυμωμένου υγρού.
Τα αποτελέσματα έδειξαν πως ταχύτερες ζυμώσεις τυρογάλακτος (9 h) έλαβαν χώρα στους 37οC, σε pH 5,5, ενώ σημειώθηκε σημαντική βελτίωση της ταχύτητας ζύμωσης (μόνο 6-7 h) όταν 120 g BSG ή μεσοκαρπίου πορτοκαλιών προστέθηκαν στο υγρό της ζύμωσης. Στις ίδιες συνθήκες παρατηρείται υψηλότερη παραγωγή γαλακτικού οξέος (~3,5 g/L) και μεγαλύτερο ποσοστό μείωσης του BOD5 (~64%) και COD (~46%) του τυρογάλακτος. Επειδή τα στερεά απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν παρουσίαζαν έντονα πορώδη επιφάνεια συμπεραίνεται ότι η προωθητική τους ικανότητα πιθανώς να οφείλεται στην ακινητοποίηση των μικροοργανισμών πάνω σε αυτά κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Τελικά, ενώ η χρονική διάρκεια της ζύμωσης είναι αποδεκτή σε βιομηχανική κλίμακα, η αύξηση της συγκέντρωσης του γαλακτικού οξέος και του ποσοστού μείωσης του οργανικού φορτίου του τυρογάλακτος χρήζουν περαιτέρω εργαστηριακής έρευνας.
|
|---|
