The impact of the duration of wave treatment on the development of yeast populations

Introduction: The scientific literature does not contain research on the influence of monochromatic light treatment on the development of bottom-fermenting beer yeast populations.

Purpose: An analysis of the literature data allowed us to suppose the possibility of activating the development of the beer yeast Saccharomyces cerevisiae population through preliminary treatment with light of visible spectrum wavelengths, providing technological and economic efficiency of such an impact method on a production scale.

Materials and Methods: The object of research was the process of cultivating a population of bottom-fermenting beer yeast Saflager S-189 (Fermentis). The subject was the influence of preliminary treatment of the seed yeast with monochromatic light with a wavelength of 980 nm on this process. Its effectiveness was assessed by the weight loss of the cultivation medium, the increase in the total cell titre, the proportion of unviable and "fed" cells. A KFK-2 photoelectrocolorimeter was used as a source of monochromatic light with wavelengths of the visible range. Seeding of mediums and sample preparation for analysis were performed in a BAVnp-01-"Laminar-S."-1.2 antibacterial air medium box. The yeast's fermenting activity was assessed by the weight loss of the nutrient medium; the total cell titre was established by counting in a Goryaev's chamber; the percentage of unviable cells was determined using methylene blue dye; the percentage of "fed" yeast cells was established by staining glycogen with iodine solution.

Results: Preliminary treatment of the seed yeast with monochromatic light (980 nm) allowed increasing the fermenting activity of bottom-fermenting beer yeast by 10-15% compared to the control, which is consistent with the results of other research groups concerning populations of microorganisms of other genera and species. The values of other determined indicators - the proportion of "fed" and unviable cells, the total yeast cell titre - in the experimental variants were at the level of those in the control samples or slightly inferior to them. Data on the influence of the duration of seed yeast irradiation for 60, 120 or 180 minutes on the listed controlled indicators are presented, and the authors express the opinion about the appropriateness of its conduction for 60 minutes.

Conclusion: The principle possibility of activating the development of a population of bottom-fermenting beer yeast by preliminary treatment of seed yeast with light with a wavelength of 980 nm, which can give an economic effect on an industrial scale, is substantiated; the necessity of testing the technological method under study in conditions close to production ones, i.e., for brewing wort with an irradiated suspension of seed yeast, is noted.

1. Бойко, С. С., & Яценко, Е. С. (2018). Изучение влияния ультразвукового воздействия на споро- и неспорообразующие бактерии. Вестник биотехнологии, 14(1), 102-105.

2. Гернет, М. В., Борисенко, О. А., & Грибкова, И. Н. (2019). Комплексный активатор брожения в технологии пива. XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс, 8(3), 134–138.

3. Гернет, М. В., Грибкова, И. Н., & Борисенко О. А. (2020). Исследование возможности активации дрожжей при приготовлении ферментированных напитков. Пищевая промышленность, 8, 56–59.

4. Глущенко, Л. Ф., & Глущенко, Н. А. (2010). К вопросу об управлении жизнедеятельностью микроорганизмов. (с. 27-43) Академия естествознания.

5. Глущенко, Н. А. (2013). О некоторых эффектах влияния электронно-ионной обработки на дрожжевые микроорганизмы. Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого, 71–2, 36–40.

6. Давыденко, С. Г., Васильева, Л. М., Баташов, Б. Э., & Дедегкаев, А. Т. (2011). Применение методов окраски дрожжей для оценки их физиологического состояния. Пиво и напитки, 5, 8-11.

7. Данилова, А. Н., Пономарева, М. С., Гернет, М. В., & Шабурова, Л. Н. (2017). Влияние лазерного излучения на молочнокислые бактерии. Хранение и переработка сельхозсырья, 12, 12-14.

8. Калужина, О. Ю., Яковлева, К. С., Кашапова, Р. А., Черненков, Е. Н., Черненкова, А. А., & Бодров, А. Ю. (2020). Влияние ультразвука на пивоваренные дрожжи. Вестник ВГУИТ, 82(1), 103–109. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-103-109

9. Кобелев, А. В., & Багаева, Т. В. (2013). Влияние разного светового спектра на рост дрожжей Saccharomyces cerevsia. Материалы II Междунар. интернет-конференции (c. 147–149). ИП Синяев Д. Н.

10. Кобелев, А. В., Багаева, Т. В., & Галкина, Л. А. (2014). Влияние разного светового спектра на биосинтез вторичных метаболитов микромицета Fuzarium equiseti. Биотехнология. Взгляд в будущее: Материалы III Международной научной Интернет-конференции (с. 99-102). ИП Синяев Д. Н.

11. Мамарасулов, Б. Д., Насирова, О. А., & Мирзарахметова, Д. Т. (2017). Интенсификация процесса сбраживания пивного сусла. Пиво и напитки, 5, 24-27.

12. Мирошников, А. И. (2007). Стимуляция и ингибирование роста клеток при культивировании в питательной среде, модифицированной электрическим полем. Вестник биотехнологии, 3(2), 18-25.

13. Помозова, В. А., Пермякова, Л. В., Сафонова, Е. А., & Артемасов, В. В. (2002). Активация пивных дрожжей. Пиво и напитки, 2, 26-27.

14. Слепян, Л. И., Каухова, И. Е., Солодникова, Е. С., & Красовицкая, И. А. (2014). Влияние ультразвука на рост и метаболизм биологически активных веществ в штаммах Panax ginseng C.A. Mey. и Panax quinquefolius L. (Araliaceae). Вестник биотехнологии, 10(1), 46-51.

15. Супрунюк, А. Ю., & Карпенко, Д. В. (2016). Влияние обработки монохроматическим светом на характеристики пивных дрожжей. Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки (часть 2, с. 134-138). МГУПП.

16. Тихонов, С. Л., Тихонова, Н. В., Кирпикова, К. Е., Пестова, И. Г., Московенко, Н. В., & Кольберг, Н. А. (2021). Биосинтез низина с применением фотостимуляции продуцента Lactobacillus lactis и пептидов фабрициевой сумки в составе питательной среды. Современная наука и инновации, 3, 85-95. https://doi.org/10.37493/2307-910X.2021.3.8

17. Тихонов, С. Л., Тихонова, Н. В., Пестова, И. Г., & Тихонова, М. С. (2022). Исследование влияния фотостимуляции на продуктивность культуры Lactobacillus lactis и активность полученного низина. Индустрия питания, 7(1), 63-69. https://doi.org/10.29141/2500-1922-2022-7-1-8

18. Шабурова, Л. Н., Данилова, А. Н., Пономарева, М. С., & Гернет, М. В. (2019). Действие импульсной частоты лазерного излучения на дрожжи верхового брожения. Пиво и напитки, 2, 16-19.

19. Al Daccache, M., Koubaa, M., Salameh, D., Maroun, R. G., Louka, N., & Vorobiev, E. (2020). Ultrasound-assisted fermentation for cider production from Lebanese apples. Ultrasonics Sonochemistry, 63, 104952. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104952

20. Bredihin, S. A., Andreev, V. N., Martekha, A. N., Schenzle, M. G., & Korotkiy, I. A. (2021). Erosion potential of ultrasonic food processing. Foods and Raw Materials, 9(2), 335–344. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-2-335-344

21. Choi, E. J., Ahn, H., Kim, M., Han, H., Kim, W. J. (2015). Effect of ultrasonication on fermentation kinetics of beer using six-row barley cultivated in Korea. Journal of the Institute of Brewing, 121(4), 510–517. https://doi.org/10.1002/jib.262

22. He, R., Ren, W., Xiang, J., Dabbour, M., & Mintah, B., Li, Y., & Ma, He. (2021). Fermentation of Saccharomyces cerevisiae in a 7.5 liter ultrasound-enhanced fermenter: Effect of sonication conditions on ethanol production, intracellular Ca2+ concentration and key regulating enzyme activity in glycolysis. Ultrasonics Sonochemistry, 76, 105624. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105624

23. Huang, G., Chen, S., Tang, Y., Dai, C., Sun, L., Haile Ma, H., & He, R. (2019). Stimulation of low intensity ultrasound on fermentation of skim milk medium for yield of yoghurt peptides by Lactobacillus paracasei. Ultrasonics Sonochemistry, 51, 315–324. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.09.033

24. Ikehata, M., Iwasaka, M., Miyakoshi, J., Ueno, S., & Koana, T. (2003). Effects of intense magnetic fields on sedimentation and gene expression profile in budding yeast. Journal of Applied Physics, 93(10), 6724-6726. https://doi.org/10.1063/1.1556929

25. Iwasaka, M., Ikehata, M., Miyakoshi, J. & Ueno, S. (2005). Strong static magnetic field effects on yeast proliferation and distribution. Bioelectrochemistry, 65(1), 59-68.

26. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2004.04.002

27. Kajarekar, B., & Gogate, P. (2022). Ultrasound Assisted Intensification of Streptomycin production based on Fermentation. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 171(2), 108748. https://doi.org/10.1016/j.cep.2021.108748

28. Kalugina, O., Nafikova, A., Chernenkov, E., Leonova, S., Chernenkova, A., Badamshina, E., & Bodrov, A. (2021). Application of ultrasound for enhancing fermentation rates in brewing technology. Acta Scientiarum Polonorum Technologia Alimentaria, 20(3), 301-312. http://dx.doi.org/10.17306/J.AFS.2021.0950

29. Karpenko D. V., Gernet M. V., Krjukova E. V., Gribkova I. N., Nurmukhanbetova D. E., Assembayeva E. K. (2019). Acoustic vibration effect on genus Saccharomyces yeast population development. News of the Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of geology and technical sciences, 4(436), 103-112. https://doi.org/10.32014/2019.2518-170X.103

30. Valadon, L., Osman, M., Mummery, R., Jerebzoff-Quintin, S., & Jerebzoff, S. (2006). The effect of monochromatic radiation in the range 350 to 750 nm on the carotenogenesis in Verticillium agaricinum. Physiologia Plantarum, 56(2), 199 - 203. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1982.tb00325.x

31. Xiang, J., Dabbour, M., Gao, X., Mintah, B. K., Yang, Y., Ren, W., He, R., Dai, C., & Ma, H. (2022). Influence of low-intensity ultrasound on ε-polylysine production: intracellular ATP and key biosynthesis enzymes during Streptomyces albulus fermentation. Foods, 11, 3525. https://doi.org/10.3390/foods11213525

32. Yang, Y., Ren, W., Cheng, L., Dapaah, M., He, R., & Ma, H. (2021). Incorporating transcriptomic-metabolomic analysis reveal the effect of ultrasound on ethanol production in Saccharomyces cerevisiae. Ultrasonics Sonochemistry, 79(4), 105791. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105791

33. Yang, Y., Xiang, J., Zhang, Z., Umego, E. C., Huang, G., He, R., & Ma, H. (2020). Stimulation of in situ low intensity ultrasound on batch fermentation of Saccharomyces cerevisiae to enhance the GSH yield. Journal of Food Process Engineering, 43(10), e13489. https://doi.org/10.1111/jfpe.13489