Ученые использовали дрожжи, магнитные частицы и биополимеры из водорослей для создания биороботов, которые ускорили процесс изготовления пива. В ходе брожения из этих составляющих образовывались шарики, в которых синтезировался углекислый газ. Он поднимал их на поверхность раствора и выделялся в воздух, а биороботы после этого опускались на дно. Такой цикл повторялся неоднократно, частицы перемешивали раствор и так ускоряли приготовления пива. В конце ферментации, когда биороботы осели на дно, ученые извлекли их с помощью магнита, избежав этапа фильтрации. Таким образом, биороботы ускорили и упростили процесс производства пива. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
К 2022 году выручка пивоваренной отрасли составила более 500 миллиардов евро, и ожидается, что этот рынок будет расти ежегодно. Производство пива основано на брожении. Пивные дрожжи, самыми распространенными из которых являются Saccharomyces cerevisiae, поглощают сахар и выделяют этанол, углекислый газ и вкусовые соединения. Процесс брожения может занять более недели, и за это время дрожжи могут значительно размножиться. От их избытка пиво портится, что приводит к экономическим потерям.
Чешские ученые использовали биороботов для ускорения приготовления пива. За основу авторы взяли цепочки альгината — биополимера, получаемого из водорослей. Исследователи смешивали его с клетками дрожжей и магнитными частицами (Fe3O4). Затем капли этой смеси ученые добавляли в раствор с заряженными частицами железа Fe3+. При контакте с ними цепочки альгината сшивались и затвердевали в форме сферы, удерживая внутри себя дрожжи и магнитные частицы. После этого авторы помещали двухмиллиметровые гранулы в раствор, в двух частях которого за счет электрического тока поддерживалась разная кислотность. В результате одна половина сферических частиц подвергалась воздействию кислотной среды, а другая — основной. При этом только во второй из них из альгината удалялось железо Fe3+, что привело к увеличению пористости в одной из полусфер частицы. Такие биороботы получили название в честь двуликого бога Януса.
Дрожжи в составе частиц Janus выделяли углекислый газ, который поднимал их на поверхность. Там он высвобождался, а биороботы опускались на дно под действием силы тяжести. Периодическое захватывание и отпускание газа вызывало постоянное движение частиц Janus. При этом перемещение биороботов было возможно только за счет их «двуликой» структуры. Абсолютно гладкие частицы не могли выделить накопившийся газ, следовательно, не могли опуститься. Слишком пористые частицы, напротив, постоянно лежали на дне, так как не могли накопить достаточно газа, чтобы подняться.
Janus-частицы превращали сахар в алкоголь быстрее, чем свободные дрожжи и другие биороботы, благодаря лучшему перемешиванию раствора. При этом качество пива не отличалось от стандартного. В конце ферментации концентрация сахара в растворе снизилась. Это уменьшило количество реакций, протекающих в биороботах. В результате выделялось меньше углекислого газа и Janus-частицы оставались лежать на дне колбы. Тогда исследователи использовали вращающееся магнитное поле, чтобы отделить биороботов от пива, а вместе с ними выделялись и дрожжи. Это позволило отделить их от пива без дополнительных этапов фильтрации. Более того, после выделения ученые промыли Janus-частицы пять раз водой, чтобы удалить из них избыток выросших дрожжей, а затем снова использовали биороботов для приготовления пива. Активность Janus-частиц сохранялась еще на протяжении трех циклов ферментации пива. Таким образом, ученым удалось упростить и ускорить процесс его изготовления.
«В целом мы демонстрируем, как миниатюрные автономные магнито-каталитические биороботы могут принести пользу такому промышленному процессу, как производство пива», — рассказывают авторы исследования.
Автор: Анна Дегтярь.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
