Лекция 8 характеристика основных бродильных производств. Спиртовое брожение.

Лекция 8 ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ.

Вопросы:

1. возникновение, современное состояние и перспективы развития основных бродильных производств

2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РОСТА ДРОЖЖЕЙ И ДРУГИХ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РОСТА ДРОЖЖЕЙ И ДРУГИХ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

МИКРООРГАНИЗМЫ КАК ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНТОВ

СТАДИИ РАЗВИТИЯ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

Культивирование микроорганизмов может быть периодическим и непрерывным.

При периодическом культивировании микроорганизмы проходят ряд характерных стадий (фаз) развития, закономерно сменяющих одна другую в определенной последовательности (рис. 1-1). Различают пять основных стадий: лаг-фазу (или начальную), экспоненциальную (или логарифмическую), замедленного роста, стационарную и фазу отмирания. Характер этих стадий зависит от физиологического состояния клеток и различных факторов среды.

Лаг-фаза (начальная). В этой фазе происходит процесс приспособления микроорганизмов к новой среде и окружающим условиям. Увеличения численности микроорганизмов в этой фазе не происходит. Продолжительность фазы зависит главным образом от условий. Предварительного культивирования и от того, насколько пригодна для их роста данная питательная среда. В тех случаях, когда источники энергии и углерода в новой среде отличаются от тех, какие имелись в предшествующей культуре, адаптация к новым условиям может быть связана с синтезом новых ферментов, в которых ранее не было надобности.

Длительность лаг-фазы у одних микроорганизмов в благоприятной среде измеряется минутами, у других — часами.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Они представляют собой одноклеточные микроорганизмы раститель­ного происхождения. Дрожжи, так же как плесени и бактерии,относятся к одному большому подразделению растительного царства под названием Mycophyta. Микофиты отличаются от во­дорослей и высших растений тем, что не содержат хлорофилла щ, следовательно, не способны создавать для себя пищу путем ^фотосинтеза.

Дрожжи — один из самых древних помощников человека в мире микроорганизмов. Хлеб, вино и спирт — все это давно из­вестные продукты их жизнедеятельности. Они применялись еще в те времена, когда их природа была совершенно неизвестна. В древних манускриптах и папирусах можно найти ряд указа­ний на практическое использование дрожжей. В результате Многовекового отбора возникли расы культурных дрожжей, ко­торые позволили создать современные заводы бродильной про­мышленности.

МЕТАБОЛИЗМ ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКИ

Дрожжевая клетка представляет собой микроскопический химический завод с множеством различных «конвейеров», дейст­вующих одновременно. Любой такой «конвейер» состоит из ряда ферментов, каждый из которых осуществляет одну стадию про­цесса, например превращает молекулу А в молекулу Б и затем передает ее следующему ферменту, превращающему молекулу Б в молекулу В и т. д. Продукт одной ферментативной реакции* служит субстратом для последующей.

Ферментативные реакции, сопровождающиеся выделением энергии, приводят к образованию макроэргических связей и пре­вращению АДФ в АТФ. Аккумулированная в АТФ энергия мо­жет затем использоваться клеткой для синтеза белков, нуклеи­новых кислот и т. д. Такие сопряженные реакции протекают од­новременно, доставляя при этом энергию или одно из исходных веществ для другой реакции. -

Сотни реакций, протекающих в очень малом объеме — про­топлазме и ее органоидах, несравненно сложнее реакций в лю­бом химическом процессе. Они должны быть идеально между собой согласованы, иначе клетка погибнет. Энергия, освобожда­ющаяся при одной ферментативной реакции, обычно окислитель­но-восстановительной,. используется при другой, параллельно протекающей ферментативной реакции, обычно синтетической,, требующей для своего осуществления затраты определенного количества энергии. Таким образом, внутри клетки существует гармоническая серия последовательных этапов реакции, проте­кающих в масштабах молекулы с помощью множества биоло­гических катализаторов — ферментов, которые присутствуют в. реакционной среде.

Для своего развития, роста и.размножения дрожжевая клет­ка нуждается в веществах, растворимых в воде. Цитоплазмати-ческая мембрана пропускает питательные вещества в клетку и препятствует их возвращению в среду. Вода же свободно прони­кает в клетку и уходит из нее. Б водных растворах, содержащих небольшие концентрации веществ, всегда устанавливается, неко­торый приток воды в клетку. Вода создает давление внутри клет­ки, и протоплазма оказывается плотно прижатой к эластичным внутренним стенкам клетки. При таком состоянии, называемом тургором, быстро и нормально протекают все процессы об­мена в дрожжевой клетке. В нормальном состоянии любая клет­ка обладает определенным тургором.

При резком понижении концентрации веществ в питательной -среде создается высокая разность осмотических давлений меж­ду клеткой и средой, что вызывает более быстрый и значитель­ный приток воды из среды в протоплазму клеток, которые при этом чрезмерно разбухают,— происходит так называемый пл аз- шоптис. В среде же, содержащей высокие концентрации каких-либо веществ (сахаров, солей), т. е. когда осмотическое давле­ние во внешней среде значительно выше, чем в самой клетке, устанавливается ток воды из протоплазмы дрожжевых клеток игаружу. Тургор клетки нарушается. С уменьшением количества воды в протоплазме последняя сжимается и начинает отставать от клеточной оболочки — происходит плазмолиз дрожжевой клетки. С уменьшением концентрации растворимых веществ до размеров, благоприятных для жизнедеятельности дрожжей, про­топлазма снова набухает, приходя в первоначальное состояние, и тургор восстанавливается (деплазмолиз).

Плазмолиз и плазмоптис вредны для клетки, так как в ней могут наступить необратимые процессы, в результате чего она погибнет.

Вещества, войдя в протоплазму клетки и попадая на тот или иной ферментативный «конвейер», включаются в различные про­цессы обмена. Основными процессами, характеризующими жиз­недеятельность дрожжей, являются ассимиляция и диссимиля­ция. При ассимиляции живой организм принимает питательные вещества и перерабатывает их в вещества, используемые для синтеза. Диссимиляция в противоположность ассимиляции пред­ставляет собой процесс преобразования и распада веществ в ор­ганизме, который сопровождается выделением энергии. Эта энер­гия используется в процессах синтеза и для поддержания жизни организма.

Дрожжи, развиваясь в сахарсодержащих питательных средах без доступа воздуха, осуществляют сбраживание глюкозы, да­вая этиловый спирт и С0₂. При доступе воздуха протекает про­цесс аэробного дыхания дрожжей, который сопровождается пол­ным окислением сахара до С0₂ и воды. Оба процесса являются экзотермическими, т. е. избыток энергии, не израсходованной на синтетические процессы, выделяется в виде тепла. При анаэроб­ном превращении глюкозы в дрожжевой клетке (Спиртовое бро­жение) выделяется энергия, в 22 раза меньшая, чем при полномокислении, так как в спирте удерживается значительная часть энергии.

Сбраживание глюкозы дрожжами — анаэробный процесс, хо­тя сами дрожжи — аэробные организмы. В анаэробных услови­ях брожение протекает очень интенсивно, но роста дрожжей поч­ти не наблюдается. При доступе воздуха брожение ослабевает и на смену приходит более или менее выраженное дыхание. Аэрация уменьшает потребление глюкозы, а также образование этанола и углекислого газа, но обеспечивает возможность рос­та дрожжей.

Приток воздуха к сбраживаемой среде приводит почти, к прекращению спиртового брожения. При этом дрожжи полу­чают необходимую для их развития и жизнедеятельности энер­гию путем аэробного дыхания, тратя сахар значительно эконом­нее, чем в аэробных условиях (при спиртовом брожении). По­давление спиртового брожения кислородом называют эффектом Пастера. По В. А. Энгельгардту, брожение тормозится дыханием в результате' выключения в аэробных условиях каких-то звеньев зимазного комплекса. Однако образование спирта не может прекратился полностью даже при обильном подводе воздуха.

ХИМИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЭТАНОЛА ДРОЖЖАМИ

Спиртовое брожение представляет собой цепь ферментатив­ных процессов,.конечным результатом которых является распад гексозы с образованием спирта и С0₂ и доставка дрожжевой клетке той энергии, которая необходима для образования новых веществ, используемых для процессов жизнедеятельности, в том числе для роста и размножения. По химическому характеру спир­товое брожение — каталитический процесс, происходящий под действием биологических катализаторов — ферментов.

Современная теория спиртового брожения является резуль­татом работ многих ученых различных стран мира. Для выяс­нения процессов брожения большое значение имели работы вы­дающихся отечественных ученых: А. Н. Лебедева (1881—1938), С. П. Костычева (1877—1931), А. Е. Фаворского, Л. А. Иванова, В. А. Энгельгардта.

А. Н. Лебедев в 1911 г. опубликовал свои исследования по внеклеточному алкогольному брожению, впервые ^ дал схему спиртового брожения, указав, что одним из важнейших проме­жуточных продуктов спиртового брожения является диоксиаце-тон. Внеклеточное брожение как метод исследования сыграло большую роль в познании химизма спиртового брожения. Отде­ление собственно процессов брожения от процессов, связанных с развитием и размножением дрожжей, позволило расчленить распад углеводов в ходе брожения на отдельные последователь­ные этапы с определением промежуточных продуктов.

С. П. Костычев при помощи приема-перехватывания проме­жуточных продуктов брожения путем связывания их вводимы­ми извне веществами доказал, что последним из промежуточных продуктов спиртового брожения является уксусный альдегид, образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кис­лоты. Схема химизма спиртового брожения, данная Костычевым, в значительной мере способствовала дальнейшему углубленному Диализу этого сложного процесса.

Классическими 'экспериментальными. исследованиями А. Е. Фаворского доказано, что распад сахара на спирт и С0₂ представляет собой ряд окислительно-восстановительных пре­вращений и что в этих условиях могут одновременно протекать реакции, ведущие к появлению изомерных соединений.

Л. А. Иванов, занимаясь исследованием процессов брожения и дыхания, а также превращения фосфора в растениях, впервые установил образование непрочных фосфорорганических соеди­нений при спиртовом брожении. Его открытие | имеет большое значение в изучении роли макроэргических (высокоэнергетиче­ских) связей фосфорных соединений для энергетики микроорга­низмов. Речь идет о богатых энергией ангидридных связях фос­форной кислоты в молекуле аденозинтрифосфата. После классического исследования Иванова последующее изучение химизма спиртового брожения было связано с выяс­нением роли фосфорных соединений. Так, английский ученый А. Гарден, изучая первые этапы распада сахара, показал, что глюкоза^ш ар диняется с фосфорной кислотой и образует при этом гексозофосфорные эфиры — гексозомонофосфат и гексозодифос-фат, который и подвергается дальнейшему расщеплению.

. Последующее расщепление гексозофосфорных эфиров, сопро­вождающееся разрывом шестичленной углеродной цепочки са­хара, природу образующихся при этом продуктов и их дальней­шее превращение изучил О. Мейергоф. Он расчленил и экспери­ментально воспроизвел важнейшие промежуточные реакции при спиртовом брожении, показав, что разрыв углеродной цепи гек­созы и дальнейшее превращение образовавшихся продуктов происходит не со свободными углеводами, а с их фосфорными эфирами и что фосфорная кислота отщепляется на более позд­них этапах процесса брожения.

Таким образом, постепенно выясняется механизм превраще­ния сахара в спирт и создается современная схема спиртового брожения. Этот сложный непрерывный процесс распада сахара катализируется разными ферментами с образованием 12 проме­жуточных продуктов. Начальной стадией спиртового брожения является образование -фосфорилированны'х Сахаров. Фосфорили-рование осуществляется при помощи ферментов и системы аде-ниловых кислот.

Лекция 8 ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ.

Вопросы:

1. возникновение, современное состояние и перспективы развития основных бродильных производств

2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РОСТА ДРОЖЖЕЙ И ДРУГИХ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РОСТА ДРОЖЖЕЙ И ДРУГИХ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ