Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Спиртовое брожение. Механизм анаэробного процесса и технологические особенности
Этиловый спирт – широко распространенный продукт обмена веществ у микроорганизмов. Даже растения и многие грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт. Основными промышленными продуцентами этанола являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые также используются в пивоварении, хлебопекарной и винодельческой промышленности. Дрожжи относятся к эукариотам и обладают полностью сформированным аппаратом дыхания, однако, являясь факультативными аэробами, в отсутствии кислорода они осуществляют процесс брожения. Спиртовые дрожжи, в частности, Sacch. сerevisiae раса XII в процессе спиртового брожения накапливают до 10-11 % этанола в культуральной жидкости. Чрезвычайно перспективны в качестве промышленных продуцентов бактерии р. Zymomonas: Z. mobilis, Z. аnaerobia, поскольку они менее чувствительны к накапливаемому этанолу. Вследствие этого они сохраняют собственную жизнеспособность при концентрации этанола до 14 %. Кроме того, бактерии отличаются скоростью потребления глюкозы и образования этанола в 2-3 раза большей, чем у дрожжей (метаболический коэффициент = 1,87 г/г · ч). Основным субстратом для биосинтеза этанола выступают моно- и дисахариды – гексозы, полученные путем гидролиза и осахаривания крахмалистого сырья (см. тему 1) и относимые к сбраживаемым сахарам. Спиртовое брожение протекает в несколько стадий. Начальная стадия называется дрожжегенерацией: до тех пор, пока в среде достаточно растворенного кислорода, дрожжи интенсивно размножаются. Процесс роста биомассы сопровождается интенсивным окислением гексоз до углекислого газа и воды с высоким энергетическим выходом: C6H12О6 + 1/2О2 + 38АДФ + 38Фн → 6СО2 + 38АТФ + 6Н2О С исчерпанием в среде кислорода дыхание ослабевает и начинается стадия интенсивного брожения с образованием в качестве основного продукта этанола. Скорость размножения клеток и прирост биомассы при этом значительно снижаются. На последней стадии, когда исчерпываются сбраживаемые сахара – гексозы, дрожжи используют полисахарид – гликоген, запасенный в клетках на стадии дрожжегенерации.
Процесс брожения протекает последовательно в два этапа. Первый этап – общий для процесса дыхания и для брожения, называется гликолизом. В ходе гликолиза происходит окисление глюкозы до пировидоградной кислоты (ПВК) с образованием двух молекул АТФ и двух молекул восстановительных эквивалентов (НАДН+Н+). C6H12О6 + 2АДФ + 2Фн + 2НАД+ → 2ПВК + 2АТФ + 2(НАДН + Н+) + 2Н2О На втором этапе происходит ферментативное превращение ПВК с образованием различных акцепторов электронов (атомов водорода) в зависимости от типа брожения и природы продуцентов. В случае спиртового брожения под действием фермента пируваткарбоксилазы ПВК превращается в уксусный альдегид, который затем выступает в качестве акцептора атомов водородов, с сопряженным получением окисленных форм восстановительного эквивалента (НАД+). Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой: СООН СО2 Н НАДН + Н+ НАД+ Н С = О С = О Н–С–ОН СН3 пируваткарбоксилаза СН3 алкогольдегидрогеназа СН3 Суммарное уравнение спиртового брожения имеет вид: C6H12О6 + 2АДФ + 2Фн → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + Н2О Количество АТФ, требуемое для биосинтеза микробной массы, одинаково вне зависимости от того, растут ли клетки в аэробных или анаэробных условиях, поэтому на стадии брожения для биосинтеза эквивалентного количества клеточного материала дрожжам необходимо утилизировать значительно больше глюкозы. Поскольку в ходе превращения 1 молекулы глюкозы в этанол путем брожения образуются лишь 2 молекулы АТФ против 38 в процессе дыхания, брожение является менее энергетически эффективным процессом. На рисунке 11 представлена кривая брожения, характеризующая сбраживание сахаров в среднем за каждый час от начала брожения (в % от начального количества сахаров). Рисунок 11 – Кривая брожения Кривая получена для минимального количества инокулята (суспензии накопленных дрожжей для внесения в подготовленное сусло), который был отобран из суспензионной культуры дрожжей ушком платиновой проволоки и внесен в 200 мл сусла. Поэтому на кривой брожения можно отчетливо выделить три периода брожения: взбраживание, главное брожение и дображивание. В первый период, продолжающийся приблизительно 60 часов (взбраживание), происходит медленное накопление дрожжевой массы, количество сброженных сахаров очень мало. Во второй период (60-120 часов) размножение дрожжей и сбраживание сахаров за каждый час резко усиливаются, достигая максимума (главное брожение). В третий период кривая брожения выходит на плато, асимптотически приближаясь к оси абсцисс (дображивание). Общее время процесса брожения в условиях лабораторного исследовательского эксперимента оказалось весьма длительным. В условиях промышленной реализации спиртового брожения период взбраживания не так заметен на кривой брожения, так как стадия дрожжегенерации вынесена в другой аппарат (дрожжегенератор), и засевные дрожжи вносятся во взбраживатели в значительно большем количестве. Например, при сбраживании крахмалистых заторов периодическим способом количество засевных зрелых дрожжей содержанием 100-120 млн. клеток в 1 мл составляет 5‑8 % объема бродильного чана и вносится единовременно. В период главного брожения сбраживается основная масса сахара. В условиях нормально протекающего процесса количество сбраживаемых сахаров (отброд) уменьшается в среднем на 1 % в час. Наличие длительной стадии дображивания характерно для заторов из крахмалистого сырья и обусловлено крупностью частиц и, соответственно, плохой растворимостью части полисахаридов субстрата и их недоступностью для ферментов. В заторах, полученных осахариванием разваренной массы ферментами солода, из всего крахмала, принятого за 100 %, около 4-6 % находится в виде нерастворенного крахмала, около 75-77 % – превращенного в мальтозу и около 19 % – превращенного в декстрины (эти цифры получены для конкретного помола и могут быть улучшены за счет тонкого измельчения). Крахмал и декстрины могут быть сброжены дрожжами лишь после осахаривания до мальтозы, которое осуществляется α- и β-амилазами и изоамилазой. Осахаривание, особенно нерастворенного крахмала, происходит медленно и неполностью. Скорость дображивания не зависит от количества дрожжей, а определяется, главным образом, содержанием α-глюкозидазы и изоамилазы. В реальном технологическом процессе брожение проходит с большим количеством засевных дрожжей значительно интенсивней и практически без периода взбраживания. Общая продолжительность брожения (главного брожения и дображивания) при начальной концентрации редуцирующих сахаров 15-18 % составляет составляет 48-72 часа в зависимости от способа организации процесса брожения (периодический, проточный и др.). Кроме биомассы в культуральной жидкости по окончании процесса спиртового брожения (бражке) присутствуют остаточный субстрат, от 8 до 11 % этанола, а также побочные продукты метаболизма – «сивушные масла», более всего спирты: изоамиловый (62 % от количества примесей), пропиловый (12 %) и изобутиловый (15 %).
|