酵母発酵の考察例｜糖の種類・温度・発酵速度・二酸化炭素・誤差原因

市販の乾燥パン酵母0.50 gと5.0%グルコース溶液20.0 mLを用い、30分間の二酸化炭素発生量を5分ごとに測定した。

二酸化炭素の累積体積は、5分後3.2 mL、10分後8.1 mL、15分後14.7 mL、20分後21.2 mL、25分後26.5 mL、30分後30.1 mLとなった。30分間の平均発酵速度は1.00 mL/分であった。

10分から15分の区間では6.6 mL増加し、区間発酵速度は1.32 mL/分であった。25分から30分の区間では3.6 mL増加し、区間発酵速度は0.72 mL/分であった。

糖の種類を比較すると、30分後の二酸化炭素発生量は、グルコース30.1 mL、フルクトース28.7 mL、スクロース26.4 mL、ラクトース1.8 mL、糖なし0.9 mLであった。

温度条件では、30℃で30.1 mLと最も多く、10℃では7.2 mL、50℃では2.4 mLであった。

グルコース濃度では、5%条件で30.1 mLと最も多く、20%条件では16.2 mLへ低下した。

本実験では、パン酵母によるアルコール発酵を、発生した二酸化炭素の体積を指標として調べた。

グルコース条件では、反応時間の経過とともに二酸化炭素量が増加し、30分後には30.1 mLとなった。このことから、酵母がグルコースを分解してアルコール発酵を行ったと考えられる。

アルコール発酵では、グルコース1分子からエタノール2分子と二酸化炭素2分子が生成する。そのため、二酸化炭素発生量の増加は、発酵反応が進行したことを示す。

発酵速度は反応開始直後から一定ではなかった。0分から5分までの増加量は3.2 mLであったが、10分から15分では6.6 mLまで増加した。

反応初期の発酵速度が低かった原因として、乾燥酵母が水分を吸収して代謝を再開するまでに時間が必要であったこと、酵母と糖液の温度が反応条件へ安定するまでに時間がかかったことなどが考えられる。

10分から20分付近では区間発酵速度が高く、酵母細胞の代謝が活発であったと考えられる。一方、25分以降は二酸化炭素の増加量が小さくなった。

後半に発酵速度が低下した原因として、利用可能な糖の減少、エタノールや代謝産物の蓄積、pHの変化、二酸化炭素の蓄積などが考えられる。

糖の種類を比較すると、グルコース、フルクトース、スクロースでは明確な二酸化炭素発生が見られたが、ラクトースでは糖なし条件との差が小さかった。

グルコースとフルクトースは単糖であり、酵母が比較的直接利用できる。一方、スクロースは二糖であるが、酵母が持つ酵素によって単糖へ分解された後に発酵へ利用されたため、二酸化炭素が発生したと考えられる。

ラクトース条件で発酵がほとんど進まなかったのは、一般的なパン酵母がラクトースを効率よく分解・利用するための酵素系を持たないためと考えられる。

糖なし条件でも0.9 mLの気体増加が見られた。これは、装置内の空気の膨張、測定誤差、酵母細胞内に残っていた少量の貯蔵物質の利用などによる可能性がある。

したがって、各糖条件の発酵量を評価する場合は、糖なし条件の値を差し引いた正味の二酸化炭素発生量を用いると、糖に由来する発酵をより適切に比較できる。

温度条件では、30℃で二酸化炭素発生量が最も多かった。温度が上昇すると分子運動と酵素反応速度が高まり、一定範囲では発酵速度が増加するためと考えられる。

10℃では二酸化炭素発生量が少なかった。低温では酵母細胞内の酵素反応や膜輸送が遅くなり、糖の取り込みと代謝速度が低下したと考えられる。

40℃では30℃より発酵量が減少し、50℃ではほとんど発酵が見られなかった。高温では酵母の酵素や細胞膜が損傷し、代謝機能や生存率が低下した可能性がある。

この結果から、温度を上げれば発酵速度が常に増加するわけではなく、酵母が活発に働く適温範囲が存在すると考えられる。

グルコース濃度の比較では、0%から5%までは濃度の上昇とともに二酸化炭素発生量が増加した。これは、酵母が利用できる基質量が増えたためと考えられる。

しかし、10%では5%よりわずかに低下し、20%では大きく低下した。高濃度の糖液では浸透圧が高くなり、酵母細胞から水分が失われやすくなるため、細胞活動が抑制された可能性がある。

したがって、発酵速度は糖濃度に単純比例するのではなく、基質不足と浸透圧阻害の両方によって決まると考えられる。

30.1 mLの二酸化炭素を24.0 L/molとして換算すると、約1.25 × 10^-3 molとなった。反応式から、消費されたグルコースは約6.27 × 10^-4 mol、約0.113 gと推定された。

ただし、この計算は発生した二酸化炭素がすべて回収されたことを前提としている。実際には、一部の二酸化炭素が反応液へ溶解したり、装置の接続部から漏れたりする可能性がある。

また、酵母が取り込んだ糖のすべてがアルコール発酵に使われるわけではない。一部は細胞の維持、増殖、他の代謝物の合成にも利用されるため、二酸化炭素から求めたグルコース消費量は近似値である。

理論値40.0 mLに対する実測収率は75.3%であった。収率が100%未満になった原因として、気体漏れ、二酸化炭素の溶解、反応時間不足、酵母活性のばらつき、糖の一部が発酵以外の代謝に利用されたことなどが考えられる。

反復測定では、29.4、30.1、30.8 mLとなり、平均30.1 mL、標準偏差0.70 mL、変動係数2.3%であった。ばらつきが比較的小さかったことから、同一条件下で一定の再現性が得られたと考えられる。

主な誤差原因として、酵母量、糖濃度、反応開始時刻、温度、混合状態、気体漏れ、目盛りの読み取り、二酸化炭素の水への溶解などが挙げられる。

特に温度は発酵速度へ大きく影響するため、試料ごとに温度が異なると、糖の種類や濃度による差と区別できなくなる。そのため、試料を測定温度へ十分になじませ、反応中も同じ温度を保つ必要がある。

また、試料を順番に調製すると、最初と最後の試料で反応開始時刻が異なる。試料数が多い場合は、添加時刻を記録し、それぞれの反応時間を正確に管理する必要がある。

以上より、酵母による発酵速度は、糖の種類、糖濃度、温度、反応時間によって変化することが分かった。酵母が利用しやすい糖と適切な温度・濃度条件では二酸化炭素発生量が増加し、低温、高温、高糖濃度などの条件では発酵が抑制された。

二酸化炭素がほとんど発生しなかった原因として、酵母の活性が低下していたこと、糖が酵母に利用できない種類であったこと、温度が低すぎるまたは高すぎること、糖を加え忘れたこと、反応時間が短かったことなどが考えられる。

糖なし条件で気体量が増加した原因として、装置内の空気の温度膨張、気泡の移動、目盛りの読み取り誤差、酵母細胞内に残っていた貯蔵物質の利用などが考えられる。試料区から対照区の値を差し引いて評価する必要がある。

高糖濃度条件で発酵量が低下した原因として、高い浸透圧によって酵母細胞の水分状態が変化し、糖の取り込みや酵素反応が抑制された可能性がある。基質が多いことと発酵速度が高いことは必ずしも一致しない。

反復間のばらつきが大きかった原因として、酵母量、糖濃度、混合状態、反応開始時刻、温度、装置の気密性などが統一されていなかった可能性がある。複数回測定し、平均値、標準偏差、変動係数を用いて再現性を評価する必要がある。

測定終了時まで発酵速度が上昇し続けた場合、測定時間内では酵母がまだ活発な増殖・発酵段階にあり、糖の不足や生成物による阻害が十分に生じていなかった可能性がある。測定時間を延長すると、速度低下が観察される場合がある。