High-Throughput Optimization of Fermentation Condition Using Dual Injection System

Význam tématu

Fermentační procesy jsou klíčové v potravinářském, farmaceutickém a chemickém průmyslu pro výrobu cukrů a organických kyselin. Přesné sledování spotřeby substrátů a tvorby produktů umožňuje optimalizovat podmínky fermentace a zvyšovat výtěžnost.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a aplikovat metodu pro simultánní kvantifikaci laktózy (substrátu) a organických kyselin (produktů) během fermentace jogurtu. K tomu byl použit systém Nexera Dual Injection, umožňující současné nezávislé chromatografické separace ve dvou kanálech.

Metodika

Vzorky jogurtu byly připraveny přidáním 5 mmol/l p-toluenesulfonové kyseliny a chloroformu, extrahovány, centrifugovány a filtrovány přes 0,2 µm filtr.

Analytické podmínky byly následující:

• Organické kyseliny: kolony Shim-pack Fast-OA (2×100×7,8 mm), mobilní fáze 5 mmol/l p-toluensulfonát, post-kolonní pH pufr (20 mmol/l Bis-Tris, 0,1 mmol/l EDTA), detekce vodivostní detektorem, teplota 40 °C.
• Cukry: kolona Shim-pack SCR-101C (300×7,9 mm), mobilní fáze voda, gelová permeace a ligandová výměna, refraktometrický detektor, teplota 80 °C.

Použitá instrumentace

Byl použit Shimadzu Nexera Dual Injection System s dvěma UHPLC cestami:

• Autosampler SIL-40C XR s dvěma injekčními porty (loop mode).
• Dvě jednotky pro podávání rozpouštědla LC-40B XR a LC-40D XR.
• Kolonová pec CTO-40S.
• Detektory CDD-10Avp (vodivostní) a RID-20A (refraktometrický).

Hlavní výsledky a diskuse

Kalibrační křivky pro laktózu, mléčnou a citrónovou kyselinu vykázaly výbornou linearitu (r2 ≥ 0,9999) v širokých koncentracích. Chromatogramy vzorků před a po 8hodinové fermentaci ukázaly úbytek laktózy a nárůst mléčné kyseliny bez interferencí.
Data z odběrů každých 1–1,5 hodiny prokázala možnost vysokopropustného sledování s RSD < 1 %. Analýza více koncentrací laktózy v mléce odhalila, že vyšší počáteční hladina substrátu vedla k relativně nižší produkci mléčné kyseliny, což zdůrazňuje nutnost monitoringu obou sloučenin pro optimální řízení fermentace.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje:

• Simultánní analýzu dvou důležitých tříd sloučenin ve stejné vzorku.
• Úsporu času a místa díky integraci dvou chromatografických cest.
• Vysokou propustnost měření (vzorek každých 15 minut).
• Potenciální využití v QA/QC laboratořích, výzkumu a průmyslovém sledování fermentačních procesů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření metody o on-line odběry a automatizaci fermentačních procesů, začlenění dalších metabolit (aminokyseliny, alkoholy) a integrace s umělou inteligencí pro prediktivní optimalizaci podmínek. Systém může být aplikován i ve velkých bioreaktorech pro kontinuální monitoring.

Závěr

Vyvinutá metoda simultánní analýzy laktózy a organických kyselin pomocí Nexera Dual Injection System prokázala vysokou přesnost, rychlost a propustnost. Nabízí efektivní nástroj pro optimalizaci fermentace v potravinářském i biotechnologickém průmyslu.