Регуляция биотехнологических процессов бродильных производств

ТЕМА №4. РЕГУЛЯЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

4.1 УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ

Потребление углеводов клеткой дрожжей

Порядок потребления углеводов:

Дрожжи как основной компонент брожения определяют его течение. Для них характерно последовательное потребление и сбраживание углеводов муки.

Первыми усваиваются те сахара, которые обеспечивают максимальную скорость роста: глюкоза→сахароза→фруктоза→мальтоза→мелитриоза.

1. Глюкоза и сахароза потребляются быстрее, т.к. ферменты, ответственные за их транспорт и сбраживание (пермеазы, β-фруктофуранозидаза, фосфатаза), являются конститутивными. Это ферменты так называемого зимазного комплекса дрожжей, отличающегося высокой активностью.

Глюкоза первой легко проникает в клетку. Перенос ее осуществляется за счет пассивной диффузии и активного транспорта с помощью ферментов-пермеаз. В клетке глюкоза фосфорилируется с участием фермента фосфатазы и далее участвует в процессе спиртового брожения.

Сахароза предварительно расщепляется на глюкозу и фруктозу экзоферментом β-фруктофуранозидазой (инвертазой), поэтому ее усвоение идет медленнее глюкозы.

2. Фруктоза сначала изомеризуется вне клетки в глюкозу с помощью фермента фруктоизомеразы, и только потом проникает внутрь.

3. Мальтоза и мелитриоза проникают внутрь клетки с помощью мальтопермеазы, где расщепляются эндоферментами мальтазой (a-глюкозидазой) и α-галактозидазой на составляющие их моносахариды.

Более позднее потребление фруктозы, мальтозы, мелитриозы объясняется тем, что ферменты, отвечающие за их транспорт и усвоение, являются индуцибельными. Т.е., во-первых, нужно время для их синтеза, во-вторых, достаточное количество вокруг клетки данных сахаров. Кроме того, ни фруктоизомераза, ни мальтопермеаза, ни мальтаза, ни a-глюкозидаза не синтезируются клеткой, пока в среде не останется менее 0,4% глюкозы. Поэтому говорят, что они катаболически репрессированы. Т.е. это и есть явление «глюкозной репрессии». Так, усвоение мальтозы начинается при концентрации глюкозы не>0,2-0,75%, а усвоение мелитриозы при концентрации мальтозы не>1,2-3,9 %.

Глюкоза, фруктоза, сахароза (при условии, что они находятся в низких концентрациях) полностью усваиваются за 24 ч, мальтоза за 70-72 ч, мелитриоза>72 ч.

Практическая значимость такого порядка усвоения углеводов клеткой:

1.                 Если засевные дрожжи используют в оптимальном физиологическом состоянии, то при внесении в сусло они готовы утилизировать все сбраживаемые сахара немедленно. Но все равно скорость потребления мальтозы+мальтотриозы снизится и такой останется, пока концентрация глюкозы не достигнет 0,4%.

Особенно это ярко выражено при добавлении в сусло глюкозных (пиво) или сахарных сиропов, инвертных сиропов. Или при длительном наполнении ЦКТ суслом при постоянной подаче глюкозы и фруктозы и дифференцированной дозировке дрожжей.

2.                 Если засевные дрожжи хранят в течение длительного времени в отсутствии индуцибельной концентрации мальтозы или в условиях ограниченного синтеза белка (например, отсутствует ассимилируемый азот), то у них перестает образовываться фермент мальтопермеаза. Тогда при использовании таких дрожжей удлиняется период брожения на время, необходимое клетке для синтеза необходимых ферментов.

Однако такие условия хранения не играют роли для штаммов, у которых отстает глюкозная репрессия (пивная раса 11).

3.                 Сильнофлокулирующие дрожжи сбраживают мелитриозу слабее, чем слабофлокулирующие.

4.                 Только для пивоварения: если использовать штаммы, легко сбраживающие мелитриозу, то можно получить пиво с меньшим содержанием экстракта. Если использовать штаммы, не сбраживающие мелитриозу, то можно получить пиво, богатое трисахаридами, т.е. с более полным вкусом.

5.                 Только для спиртового производства: дрожжи, легко сбраживающие мелитриозу, производят больше спирта.

Превращения углеводов в клетке дрожжей

Спиртовое брожение (локализация в клетке, схема, значение) см. «Микробиологию».

Дыхание (локализация в клетке, схема, значение) см. «Микробиологию».

Практическое значение спиртового брожения:

1.                 Сушеные дрожжи (пивные и винные) обнаруживают дополнительную форму брожения: глюкоза → ПВК + глицерин. Это происходит, если в среду добавить бисульфит Na.

2.                 Если создать щелочную рН (т.е. выше нормы 3-6), то будут образовываться уксусная кислота и этанол.

Практическое значение дыхания:

1.                 При дыхании дрожжи потребляет меньше субстрата, но при этом образуется больше биомассы.

2.                 Процесс дыхания выгоден и используется в основном для дрожжевого производства.

Синтез углеводов в клетке

ТРЕГАЛОЗА

Местонахождение трегалозы: она располагается в цитоплазме, частично связанна с клеточной стенкой. В бродящих дрожжах ее содержится около 6%, в дышащих до 18%).

Роль трегалозы:

1.                 поддержание структуры цитозоля;

2.                 осмотический барьер;

3.                 защита клеточной стенки от внешнего воздействия;

4.                 в лаг-фазе повышает устойчивость  клетки к стрессам. Даже при наличии в среде всех необходимых субстратов первой клетка расходует свою накопленную трегалозу (первые 45 мин), только потом усваивается глюкоза из среды;

5.                 отвечает за ксерорезистентность клетки (хлебопекарные, пивные, винные дрожжи).

Синтез трегалозы усиливается при:

при избытке кислорода,

при переходе из логарифмической фазы в стационарную,

при повышении температуры до 35оС и выше, оптимум синтеза при 45оС.

ГЛИКОГЕН

Синтез и расход гликогена:

Гликоген находится в виде скоплений в цитоплазме, вакуолях.

0,25% потребленной мальтозы дрожжи запасают в виде гликогена, остальная часть гликогена образуется в результате всего обмена веществ.

Часть накопленного гликогена тратится перед началом брожения (при адаптации), затем его количество снижается в первые 10-12 часов, и потом вновь возрастает, пока его количество не будет составлять до 30% от массы клетки.

Также он тратится клеткой при хранении дрожжей, особенно при длительном хранении и высокой температуре хранения.

Практическое значение:

Дрожжи лучше хранить недолгое время при низкой температуре, иначе количество гликогена в них понизится. А чем меньше в засевных дрожжах гликогена, тем хуже они адаптируются, у них меньше выход биомассы, в среде образуется при брожении много диацетила, уксусного альдегида, SO2.

4.2. АЗОТНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ

От азотного обмена зависит построение компонентов клетки дрожжей и образование в готовом продукте ароматических веществ.

Потребление источников азота клеткой дрожжей

В качестве источников N дрожжи используют аммиак, соли аммония, мочевину, аминокислоты, амиды, пептиды, пуриновые и пиримидиновые основания. Азотсодержащие вещества потребляются клеткой в процессе брожения и роста. Более быстрый рост дрожжей наблюдается в среде «соли аммония+аминокислоты», чем только аминокислоты или только аммоний. Но аминокислоты нужнее клетке, т.к. используются для синтеза других аминокислот и белков клетки.

Аминокислоты усваиваются в определенной последовательности в зависимости от наличия специфических пермеаз. По скорости усвоения они % на 4 группы:

·                     Быстроабсорбирующиеся (в первые 20 ч брожения): глутаминовая и аспарагиновая кислоты, аспарагин, глутамин, серин, треонин, лизин, аргинин.

·                     Средний уровень абсорбции (в процессе всего брожения): валин, метионин, лейцин, изолейцин, гистидин.

·                     Низкий уровень абсорбции: глицин, фенилаланин, тирозин, триптофан, аланин.

·                     Совсем мало абсорбируются: пролин (причем его много в пивном сусле).

Наиболее полно используются метионин, серин, глутаминовая кислота, цистеин, лизин, гистидин.

Если в среде нет разветвленных аминокислот и клетка вынуждена синтезировать их самостоятельно, то это приводит к накоплению диацетила и 2,3-пентадиона.

Превращения азотсодержащих веществ в клетке дрожжей

Для роста (дыхания) содержание аминокислот д.б. не более 100 мг/л; для брожения 150-200 мг/л.

В клетке система трансаминаз удаляет из молекулы аминокислоты NH2, а углеродный остаток направляется в оксокислотный пул (кетокислотный). Кроме них, в этом пуле есть уже синтезированные дрожжами углеродные цепочки; аминокислоты; нуклеотиды, NH2. Это резерв клетки. Отсюда новые аминокислоты идут на синтез белка в рибосомы. Если в среде нет азота, то новые аминокислоты черпаются из пула. Задача нормального питания – поддерживать этот резерв. Полная смесь аминокислот восстанавливает пул целиком, а аммоний+отдельные аминокислоты – частично.

Если в среде отсутствуют необходимые аминокислоты, то часть имеющихся дезаминируется/трансаминируется. Образующийся при этом NH4 используется для синтеза недостающих аминокислот. Оба процесса идут медленнее, чем прямое потребление аминокислот.

Практическое значение потребления и превращения азотсодержащих веществ:

1.            Сложная смесь аминокислот+аммоний обеспечивает более быстрый рост, чем только аммоний, или только одни аминокислоты (сложная/простая смесь).

2.            Рост дрожжей задерживается тем сильнее, чем больше необходимых аминокислот отсутствует в среде.

3.            Если используется несоложеное сырье, оно требует контроля в содержании N-вв и особенного отношения (например, увеличения продолжительности белковой паузы).

4.            Если в среде нет разветвленных аминокислот, это отрицательно повлияет на органолептику конечного продукта.

Выделение азотистых веществ из клетки дрожжей

Приблизительно 40% абсорбированного азота выделяется дрожжами при дображивании. При неблагоприятных условиях этот процесс может дать дрожжевой привкус и помутнение продукта.

Аминокислоты разделяются по скорости выделения:

·                     Невысокая скорость: лизин, глутаминовая кислота, аргинин, метионин.

·                     Скорость выше в 1,5-3 раза: глицин, гистидин, лейцин, аланин, изолейцин.

·                     Низкая скорость: валин, тирозин, фенилаланин, триптофан.

Пептиды выделяются на 2 сутки брожения (15-30 мг/л). Они влияют на пеностойкость пива.

Дрожжи в водной суспензии постепенно выделяют аминокислоты, нуклеотиды и др. Дрожжи в глюкозных сиропах выделяют аминокислоты, затем вновь их сорбируют за 2 ч = «шоковая экскреция» (при этом изменяются мембраны, и клетка стареет). «Шоковой экскреции» не наблюдается, если используются мальтозные сиропы.

В оксокислотном пуле скапливаются предшественники альдегидов и высших спиртов, которые также выделяются и определяют аромат готового продукта. Высшие спирты также регулируют биосинтез разветвленных аминокислот.

Практическое значение выделения азотсодержащих веществ:

1.                 В среде не должно быть аминокислот больше, чем дрожжи могут усвоить.

2.                 Длительная выдержка на дрожжах (например, при автолизе дрожжей) либо обогащает продукт полезными веществами (аромат, букет), либо может дать неприятный привкус или вызвать помутнение.

3.                 «Шоковая экскреция» замедляет брожение, особенно если зрелые маточные дрожжи получены после сбраживания сусла с большим количеством глюкозы. Кроме того, такое длительное брожение может вызвать выделение веществ, которые могут способствовать росту микроорганизмов-вредителей.

4.3. ЖИРОВОЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ

Функции: энергетическая, защитная, структурная (компоненты мембран, цитоплазматической мембраны)

Делятся: триглицериды, фосфолипиды, стеролы (эргостерин + 90% стерина).

Потребление жиров и их составляющих

Дрожжи потребляют насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, глицерин, стерины, но могут синтезировать их самостоятельно из этанола, углеводов и продуктов их распада.

Превращения и синтез жиров в клетке

Синтез жиров в клетке снижается при:

·                     недостатке кислорода;

·                     сбраживании высокоплотного сусла;

·                     большом количестве азота в среде.

Синтез жиров в клетке усиливается при:

·                     большом количестве глюкозы и мелитриозы;

Страницы: 1, 2