Levure alcoolique dans la production industrielle d'alcool

Description générale des levures

Saccharomyces cerevisiae est une variété de levure utilisée principalement dans la production d'alcool, de cire, de vin et de bière. Comme tous les microorganismes de ce type, Saccharomyces cerevisiae est un organisme unicellulaire appartenant à la classe des ascomycètes ou des levures saccharomyces. Il est utilisé pour initier le processus de fermentation du sucre et sa transformation progressive en alcool. Saccharomyces cerevisiae se reproduit par bourgeonnement. Si les microorganismes se trouvent dans un environnement extrêmement pauvre en nutriments, ils peuvent se reproduire par formation de spores.

Les microorganismes Saccharomyces cerevisiae sont principalement de forme ovale ou allongée. On peut également trouver des formes ovoïdes et ellipsoïdales. Leur taille moyenne varie de 6 à 11 micromètres et dépend de la souche spécifique de levure et des conditions dans lesquelles elle se développe. Le volume et la longueur de la cellule de levure influencent la vitesse d'interaction du microorganisme avec le milieu nutritif. Ainsi, plus le volume et la surface de la cellule de levure sont importants, plus leur activité vitale est rapide et intense.

La cellule de levure elle-même est généralement constituée d'une membrane qui abrite d'autres composants de la cellule, tels que le cytoplasme et le noyau. La partie interne de la membrane de levure est composée de substances protéiques, de phospholipides et de lipides, tandis que la partie externe contient des polysaccharides et des traces de chitine. La membrane régule principalement les autres composants de la cellule de levure et permet également à la levure d'absorber certaines substances.

Figure. Microphotographie électronique d'une cellule de levure : 1 - paroi cellulaire; 2 - membrane cytoplasmique de la cellule de levure; 3 - cytoplasme; 4 - noyau; 5 - mitochondries; 6 - bourgeon

Le cytoplasme des levures a une structure visqueuse. Cette caractéristique est due aux substances protéiques qui le composent. En plus des protéines, le cytoplasme contient des ribonucléoprotéines, des lipides et des glucides. De plus, il contient une grande quantité d'eau, ce qui permet le déroulement de processus enzymatiques importants. Les jeunes cellules se caractérisent par un cytoplasme homogène. En vieillissant, les cellules de levure présentent une granularité uniforme, ainsi que des vacuoles et des régions lipidiques.

Les mitochondries chez Saccharomyces cerevisiae se présentent sous forme de structures granuleuses ou filamenteuses. Ces parties de la cellule sont responsables de l'accumulation de substances utiles qui subissent ensuite des processus métaboliques spécifiques pour leur transformation ultérieure. Les mitochondries sont également responsables de l'activation des acides aminés, qui ne peut se produire que pendant la synthèse des protéines ou d'autres composés.

Les ribosomes de Saccharomyces cerevisiae se présentent sous forme d'inclusions granuleuses particulières. Ils sont composés de lipides, de protéines et d'ARN. Ce dernier est responsable de la synthèse des protéines et de l'activation des acides aminés provenant du système mitochondrial.

Le noyau de la cellule de Saccharomyces cerevisiae a une forme sphérique ou ovale. Il est entouré de tous côtés par le cytoplasme qui ne le dissout pas. Le noyau contient de l'ADN et de l'ARN ribosomique. De plus, il contient une grande quantité d'ARN. L'ADN des levures est responsable de l'accumulation et de la transmission des informations sur le micro-organisme.

Une autre partie essentielle de Saccharomyces cerevisiae est la vacuole. Les vacuoles sont des accumulations spéciales qui se forment dans le cytoplasme au fur et à mesure que la cellule de levure vieillit. Elles sont séparées du cytoplasme par une membrane spéciale, la membrane vacuolaire, composée de protéines et de lipides. La forme de la vacuole change constamment en fonction du mouvement et de la concentration du cytoplasme. Les jeunes cellules de levure ont des vacuoles sous forme de petites accumulations. Chez les cellules plus âgées, les vacuoles se présentent sous la forme d'une seule grande accumulation. Les vacuoles sont responsables de la formation de composés soumis à la fermentation et produisent des produits métaboliques. Les jeunes cellules de Saccharomyces cerevisiae ont peu ou pas d'accumulation de lipides. Certaines cellules plus âgées présentent de petites inclusions de lipides. Dans les cellules plus âgées, les lipides s'accumulent en de grosses gouttelettes.

Le glycogène est une réserve de nutriments pour Saccharomyces cerevisiae. Il s'agit d'une substance de la famille des polysaccharides qui ressemble structurellement à l'amylopectine. Il s'accumule dans des milieux riches en sucre lors de la culture de levures alcooliques. Lorsque le sucre est en déficit, le glycogène est rapidement consommé. Les cellules matures contiennent environ 40% de glycogène, tandis que les jeunes individus en ont pratiquement pas.

L'apparence extérieure des cellules de levure reflète l'état général de l'organisme. Par la coloration, on peut déterminer la quantité de glycogène et, par conséquent, l'état physiologique des levures. Dans la production, toutes les phases de vie des cellules de levure sont utilisées : jeunes, matures, âgées et mortes. Les cellules matures sont les plus efficaces en termes d'énergie fermentaire.

Pour la production d'alcool, seules les levures alcooliques présentant des propriétés fermentaires suffisamment élevées sont utilisées. Elles doivent obligatoirement avoir un type de respiration anaérobie, fermenter rapidement et complètement les sucres, et être suffisamment résistantes aux produits de leur métabolisme et aux produits métaboliques d'autres micro-organismes. Il est également important que les levures puissent supporter une grande quantité de sels et de matières sèches qui peuvent être présents dans la mélasse alcoolique.

Les levures de la souche Y sont couramment utilisées dans les distilleries spécialisées dans la transformation de la mélasse. Les souches Yal et Yb sont utilisées dans la boulangerie. Elles sont capables de fermenter efficacement le saccharose, le glucose et le fructose. Le raffinose est fermenté à seulement 30%. Par conséquent, dans de telles conditions, une quantité importante d'alcool reste non fermentée. Chaque pourcentage de raffinose pendant une fermentation complète augmente le rendement en alcool de 1,46%.

L'activité fermentaire des levures peut être améliorée, notamment par des processus de mutagenèse ou d'hybridation. Pour obtenir des souches de levure à activité fermentaire accrue, la méthode d'hybridation s'est avérée la plus efficace. Elle consiste à croiser deux espèces parentales de levure et à développer des souches de levure présentant des caractéristiques prédéterminées et sélectionnées. Ainsi, plusieurs hybrides de levure importants et efficaces ont été obtenus, qui présentent des avantages par rapport aux souches de levure Y et B. Les hybrides ont acquis une enzyme spécifique, l'α-galactosidase, qui permet de fermenter complètement le raffinose. Certains hybrides de levure ont également montré de meilleures propriétés de panification et une fonction générative accrue. L'hybride 112 a présenté une activité maltase supérieure, mais sa production d'alcool est inférieure de 1% par rapport à la souche B. Les hybrides 67 et 105 présentent un rendement en alcool similaire à la souche B, mais une capacité générative plus élevée. La souche G-67 présente une résistance accrue à un pH bas, ce qui favorise une production d'alcool plus élevée en réduisant les pertes de saccharose vers des produits secondaires.

Pour la fermentation des moûts à base d'amidon, on utilise des levures de la souche HII. Elles sont bien adaptées à la fermentation du fructose, du saccharose et du maltose, mais ne fermentent pas les dextrines. L'hydrolyse des dextrines est réalisée grâce à l'action des dextrinases de l'orge maltée. Ainsi, la vitesse de fermentation des moûts contenant de l'amidon dépend de la vitesse d'hydrolyse des dextrines.

Environnement optimal pour les levures alcooliques.

Les levures alcooliques prospèrent dans un environnement spécifique comprenant une certaine température, un niveau de pH et une composition chimique du milieu nutritif.

Quelle devrait être la température et le pH de la préparation ?

Les levures alcooliques peuvent survivre à différentes températures. Cependant, la plage la plus favorable pour elles est comprise entre 29 et 30 degrés Celsius. Des températures très élevées ou basses inhibent ou neutralisent complètement l'activité métabolique des levures. La température maximale admissible pour les levures est de 38 degrés Celsius, tandis que la température minimale est de 5 degrés. D'autres températures ne conviennent pas particulièrement aux micro-organismes, et à des températures supérieures à 50 degrés, les cellules de levure meurent.

Il est important de noter que la température normale pour le développement adéquat et efficace des levures et la température à laquelle la meilleure activité de fermentation est observée peuvent être différentes. Il existe des situations où les levures cultivées à des températures comprises entre 17 et 22 degrés Celsius peuvent présenter une énergie de fermentation plus élevée que d'autres levures. Si la fermentation se produit à des températures supérieures à 30 degrés, cela peut avoir un impact négatif sur la qualité du produit. Pour préserver l'activité enzymatique, la force ascendante et la résistance des levures, il est préférable de respecter une plage de température de 28 à 29 degrés. Il est recommandé de fermenter les liquides à base d'amidon dans une plage de 28 à 32 degrés.

L'augmentation de la température affecte également la vitesse de multiplication des levures sauvages et des bactéries, qui peut dépasser considérablement la vitesse de multiplication des saccharomyces. Par exemple, à une température de 32 degrés, la vitesse de multiplication des levures sauvages est trois fois plus élevée, et elle est huit fois plus élevée à une température de 38 degrés. De telles vitesses de développement des bactéries augmentent également le niveau d'acidité du milieu dans lequel elles vivent, ce qui entraîne une diminution du taux d'alcool produit. Le niveau d'acidité du milieu influence ensuite l'activité vitale des levures alcooliques. Les ions hydrogène peuvent affecter la membrane des micro-organismes. Une concentration spécifique peut soit augmenter, soit réduire la capacité de la membrane à laisser passer des substances provenant de l'environnement. Par conséquent, le niveau d'acidité du milieu a un impact direct sur la vitesse à laquelle les levures obtiennent des nutriments de la préparation, ce qui affecte l'activité des enzymes et la production de vitamines par les bactéries. De plus, le niveau de pH influence également le type de fermentation. Ainsi, si le niveau d'acidité est déplacé vers l'alcalinité, la quantité de glycérol dans le milieu augmente. Une plage de pH de 2 à 8 est considérée comme optimale pour la vitalité normale des levures. Pour cultiver des levures, il est préférable de maintenir un pH entre 4,8 et 5. À des niveaux de pH inférieurs, les levures peuvent se développer mais de manière ralentie. Le développement des bactéries lactiques, quant à lui, cesse complètement à des niveaux inférieurs à 4,8. Cette caractéristique des levures alcooliques peut être utilisée pour supprimer certaines bactéries dans la préparation. Le liquide est artificiellement acidifié jusqu'à un niveau acceptable, puis on attend un certain temps avant de rétablir les valeurs normales.

Composition de l'environnement optimal pour les levures alcooliques

La composition chimique influence la quantité de nutriments nécessaires au fonctionnement normal des levures alcooliques. Elle dépend de la qualité du milieu nutritif et des conditions dans lesquelles les levures ont été développées, ainsi que de leurs caractéristiques physiologiques. Si l'on examine la composition chimique de la cellule de levure, elle se compose à 47% de carbone, 6,5% d'hydrogène, 31% d'oxygène, 7,5% d'azote et 1,5% de phosphore. On peut également trouver de petites quantités d'autres éléments tels que le calcium, le potassium, le magnésium, le sodium et le soufre. Leur quantité ne dépasse pas 0,5% de la masse totale. Certaines levures peuvent également contenir des traces de fer, de cuivre ou de zinc.

Les levures alcooliques qui ont été pressées contiennent près de 75% d'eau et le reste est de la matière sèche. L'humidité totale du composé affecte la proportion d'eau intracellulaire et extracellulaire. Par conséquent, l'élimination de l'eau du composé de levure n'affecte pas leur viabilité à des températures inférieures à 50 degrés Celsius.

Les parties sèches des levures sont composées à 25% de matière organique: 13% de protéines, 6% de glycogène, 2% de graisses, 2% de cellulose. De plus, les levures contiennent jusqu'à 5% de cendres.

Plus de détails sur la composition du milieu des levure:

• Protéines

Les levures contiennent environ 50% de protéines brutes, dont environ 45% de véritables protéines. Ainsi, la composition des protéines brutes contient tous les composés azotés et les acides aminés nucléiques sous forme d'acides aminés puriques et pyrimidiniques.

• Glycogène

En l'absence de substances nécessaires aux levures dans le milieu nutritif, le glycogène se transforme en alcool ou en dioxyde de carbone.

• Trehalose

Le tréhalose se trouve dans la cellule en association avec le glycogène, car il s'agit d'un carbone assez mobile considéré comme une réserve et qui est un élément de la stabilité des levures utilisées dans la boulangerie. La quantité de ce carbone dans la cellule de levure augmente en fonction de la diminution de l'azote dans le milieu ou du niveau d'acidité du milieu inférieur à 4,5.

• Gras

Les levures alcooliques contiennent des acides gras tels que l'acide oléique, l'acide linoléique et l'acide palmitique.

• Cendres

Elles sont présentes sous forme d'oxydes basiques.

• Phosphore

L'élément est présent sous forme de phosphates organiques ou inorganiques. Ces composants font partie des molécules d'acides nucléiques, de coenzymes et de thiamine, et des traces de phosphore peuvent être trouvées dans les substances nucléaires des cellules. L'élément est important lors de divers processus énergétiques dans les cellules de levure.

• Soufre

Le soufre dans les levures alcooliques est présent sous forme d'acides aminés et de vitamines. On peut également le trouver dans la composition d'enzymes sous forme de groupes sulfhydryle et de sulfures.

• Fer

Le fer participe au fonctionnement d'enzymes importants tels que la zymase et la pyrophosphatase, et se trouve également dans les enzymes responsables de la respiration cellulaire.

• Magnésium

Le magnésium est responsable de l'activation de la phosphatase et de l'énolase dans les levures alcooliques. Les ions de cet élément chimique assurent efficacement le maintien de l'activité de certaines enzymes lors de l'augmentation de la température. De plus, le magnésium aide à traiter plus rapidement le glucose par les levures : plus il y a de glucose dans l'environnement des levures, plus le magnésium est efficace pour accomplir cette tâche. Un milieu nutritif optimal devrait contenir environ 0,05% de magnésium. Dans une certaine mesure, le magnésium peut être utilisé pour réguler le processus de fermentation en ajustant la quantité d'ions dans le milieu.

• Potassium

L'élément est nécessaire à la fois pour la nutrition et la reproduction des levures alcooliques. Le potassium participe aux processus d'oxydation et de glycolyse. Ainsi, le potassium aide essentiellement à réguler et à stimuler le mouvement du phosphore à l'intérieur de la cellule de levure.

• Calcium

Le calcium est utilisé par les levures pour activer les processus dans le microorganisme. Les ions de calcium se lient à l'ATP et inhibent certaines enzymes des levures. Augmenter la quantité d'ions de calcium freine la reproduction des levures, réduit leur capacité à accumuler du glycogène et augmente la proportion de stérols. En termes de chiffres, le calcium jusqu'à 40 mg pour 1 litre de liquide pour les levures augmente leur capacité à se reproduire. Une quantité plus importante freine la reproduction.

• Micro-éléments

Les micro-éléments jouent également un rôle actif dans le processus de reproduction des levures et dans le maintien de leur activité normale. En fait, les micro-éléments font partie de toutes les compositions enzymatiques, vitaminiques ou autres qui participent à la synthèse. De plus, les micro-éléments peuvent réguler la vitesse et les caractéristiques des différents processus chimiques dans l'environnement. Le cobalt aide les levures à se reproduire, augmentant la quantité d'azote et de composés azotés dans les cellules des levures. Il favorise également la synthèse de vitamines telles que la riboflavine, l'acide ascorbique, etc. Les micro-éléments se lient à d'autres enzymes et éléments, ce qui explique leur effet stimulant. L'effet de stimulation dépend directement de la qualité et de la force de la liaison qui se forme.

• Vitamines et autres particules

Un autre facteur tout aussi important pour le développement optimal des levures et une fermentation efficace est la présence de vitamines qui sont utilisées comme cofacteurs dans les enzymes. Les levures peuvent synthétiser presque toutes les vitamines elles-mêmes, à l'exception de la biotine, qui doit être présente dans le milieu nutritif.

Parmi les autres particules, on peut mentionner les acides gras qui influencent la croissance des levures. L'acide oléique à 18 atomes de carbone est le plus stimulant. Cependant, la concentration de cet acide dans le milieu nutritif ne doit pas être élevée, elle doit être inférieure à 0,5 mg/ml. Une concentration élevée d'acide oléique ralentit en réalité la croissance des micro-organismes.

Alimentation et sources pour les levures

Les levures se nourrissent de manière exogène et endogène. Pendant l'alimentation exogène, l'organisme microscopique obtient les nutriments de l'environnement externe. L'alimentation endogène se produit lorsque la cellule est en état de famine. Elle commence à utiliser les substances de réserve qui ont été accumulées auparavant, comme le glycogène, le tréhalose, les lipides, etc.

Alimentation en carbone des levures alcooliques.

Le carbone est un élément assez important pour les levures alcooliques. Elles l'utilisent pour divers composés organiques tels que le glucose, le mannose, le fructose ou le galactose. Il est également important de prendre en compte la séquence de consommation des sources de carbone par la cellule de levure. En premier lieu, les levures consomment le glucose et le fructose. La race de la levure affecte la séquence de consommation des acides gras par les levures. La composition des acides gras influence également cette séquence. L'acide acétique est absorbé par les cellules en même temps que le glucose. La tendance à absorber le carbone est déterminée par l'influence de la source la plus prédominante sur la vitesse de croissance des cellules.

Lors de la culture continue des cellules de levure alcoolique dans leur environnement, il reste plus de carbone. Dans ce cas, il sera absorbé par les cellules en dernier.

L'absorption des substances dépend également de la souche de levure. Les levures sauvages absorbent bien le galactose, tandis que les levures de type Cand. Clausseni ne l'absorbent pas du tout.

Pour que les levures absorbent normalement le maltose et le saccharose, le processus d'hydrolyse est activé par des enzymes pour convertir les disaccharides en monosaccharides. Lorsque les levures passent de l'état anaérobie à l'aérobie, elles cessent de fermenter le maltose et le glucose, mais leur activité de saccharose augmente de 3 fois. Les levures alcooliques commencent à consommer le maltose uniquement lorsque le fructose ou le glucose dans le milieu est épuisé, mais une fermentation complète du maltose se produit toujours pendant la phase de croissance stationnaire des levures alcooliques.

Les acides organiques ont également une importance considérable pendant les processus de dissimilation et de synthèse. Les levures peuvent utiliser les acides gras comme source de carbone en fonction de leur espèce ou race. Par exemple, les levures peuvent consommer de l'acide acétique, succinique, lactique, oléique et d'autres acides si leur concentration est normale. Les sels de potassium et les acides contenant des atomes de carbone dans leurs molécules stimulent également la croissance des levures alcooliques. Ils peuvent accélérer le processus de croissance jusqu'à 3 fois par rapport à d'autres molécules acides.

Les levures alcooliques consomment très peu les acides gras ayant une chaîne carbonée de longueur moyenne. Les concentrations faibles de ces acides sont acceptables dans le milieu nutritif, mais des concentrations élevées peuvent ralentir la croissance des micro-organismes. Les acides à longue chaîne carbonée de 12 à 17 atomes dans leurs molécules sont consommés en fonction du type, de l'espèce et de la race des levures.

De plus, les levures alcooliques peuvent utiliser les produits du cycle de Krebs comme sources de carbone. Plus précisément, les acides fumarique, malique, citrique, succinique et pyruvique peuvent servir d'éléments d'alimentation en carbone.

Alimentation azotée des levures.

Les levures peuvent consommer tous les acides aminés présents dans les protéines des levures grâce à des composés azotés inorganiques. La levure Sacch. Cereviesiae est capable d'assimiler uniquement deux formes de composés azotés, à savoir les composés ammoniacaux et les composés d'origine organique. Les levures peuvent absorber de l'azote sous forme de sulfate, d'urée, de phosphate d'ammonium et de sels ammoniacaux d'acides gras. Si la quantité de sucre dans le milieu est suffisante, les sels d'ammoniac ne sont utilisés que pour fournir à la cellule une quantité adéquate d'azote. L'absorption de l'azote par la cellule des levures modifie l'acidité du milieu en raison de la libération d'acides dans le milieu. L'azote ammoniacal est le mieux assimilé par les levures.

Il convient de noter que les acides aminés dans le milieu sont à la fois des sources de carbone et d'azote. L'azote est formé par la scission des groupes amino à partir des cétoacides et est absorbé par les cellules des levures. Les acides aminés peuvent également être absorbés à partir du milieu nutritif s'il contient une quantité suffisante de sucre et un ensemble complet de ces acides. Cette particularité permet de réduire la consommation de sucre pour nourrir les levures et d'augmenter considérablement le rendement en alcool pendant le processus de fermentation. Ce même processus garantit la synthèse des protéines ainsi que des enzymes, y compris celles déjà présentes dans la cellule.

L'azote organique ne peut être consommé par les levures qu'en présence d'une quantité suffisante de vitamines, notamment de la biotine, de la thiamine et de la pyridoxine. Les levures ne sont pas capables d'assimiler la choline, les purines, la bétaïne et d'autres composés azotés similaires. Les peptides sont partiellement absorbés. Leur consommation dépend de la complexité de l'élément : plus il est complexe, plus l'absorption est réduite. Une quantité admissible de peptides assure l'absorption des acides aminés.

La quantité d'azote dans les levures peut indiquer les conditions de culture des cellules et leur état physiologique actuel. La teneur en azote dans les cellules dépend également de la quantité de nutriments supplémentaires ajoutés et du type/race de levures. En général, la quantité d'azote dans les levures varie de 7 à 10 % en poids sec.

Alimentation phosphorée des levures.

Environnement anaérobie favorise l'absorption du phosphore par les levures pendant la phase initiale de la fermentation. Sa consommation pendant cette période représente de 80 à 90 % de la quantité totale de phosphore présente dans les levures. Les jeunes cellules, qui se reproduisent activement, contiennent plus de phosphore que les cellules plus anciennes. Cette tendance est clairement observée dans la teneur en phosphore des mélanges de matière sèche : pendant les premières 6 heures de fermentation des levures alcooliques, on observe une teneur de 2 % en phosphore, qui diminue jusqu'à environ 1 % à la fin de la fermentation.

Dans un milieu contenant des matières premières amidonnières, il existe des composés contenant du phosphore nécessaires aux levures alcooliques. Dans d'autres milieux nutritifs, il est nécessaire d'ajouter de l'acide orthophosphorique pour assurer un déroulement normal de la fermentation.

Autres facteurs influençant la reproduction des levures alcooliques

Outre les paramètres décrits ci-dessus, la vitesse de reproduction des levures est influencée par la pression osmotique dans la cellule du micro-organisme ainsi que dans son environnement. Une augmentation de la pression entraîne également une augmentation de la vitesse de reproduction.

La croissance supplémentaire des levures alcooliques peut être stimulée par l'action des ultrasons. Après un tel traitement, l'activité de l'invertase des levures augmente plusieurs fois. Les ultrasons ont également un effet assez efficace sur les levures de boulangerie. Une heure d'exposition peut augmenter la force de levée des levures de 15 à 18 % et augmenter leur contenu en ergostérol de 45 à 60 %. L'efficacité de l'action dépend de la fréquence des ultrasons.

Les levures de vin montrent de meilleurs résultats de fermentation sous l'influence des rayons gamma. De plus, ce traitement augmente considérablement l'activité de la maltase des levures de boulangerie. Cependant, si les levures sont exposées pendant une longue période aux rayons ultraviolets, elles perdent leurs capacités, notamment la synthèse de la leucine ou de l'isoleucine. De tels expériences peuvent produire des cellules mutées qui ne peuvent pas produire de butanol ou d'isoamyle. Les rayons ultraviolets affectent les levures de boulangerie différemment : ils augmentent plusieurs fois leur activité maltasique.

Les solutions alcalines faibles, ainsi que les alcools ou les éthers, ont un impact négatif sur les cellules de levure en dissolvant leurs lipides. Ainsi, même avec une petite quantité d'alcool dans le milieu nutritif, la reproduction des levures peut considérablement ralentir. Cependant, si une quantité suffisante de milieu nutritif est fournie, les levures peuvent se reproduire même en présence d'une concentration élevée d'alcool. Même avec une proportion de 10 % d'alcool, les levures continuent de fermenter les sucres, car la reproduction et le développement des cellules dépendent de la quantité de nutriments dans le moût, et non de la quantité d'alcool. Pour atténuer l'effet de l'alcool sur les levures, un schéma de fermentation sous vide a été développé.

Le formol et les sels de métaux lourds ont un effet négatif sur la viabilité des levures, même à de très faibles concentrations. Ils réduisent la vitesse de développement et de reproduction des levures alcooliques. De plus, l'acide sulfureux, l'acide nitreux et l'acide fluorhydrique nuisent à l'environnement des levures. De faibles concentrations de ces substances inhibent la croissance cellulaire et réduisent considérablement la qualité et la force de levée des levures.

L'acide sulfurique dans des volumes de 0,35% à 0,6% n'a pas d'incidence sur la viabilité des cellules de levure aux premiers stades. Après 24 heures dans un tel environnement, environ 2% des individus meurent. Les bactéries lactiques dans une telle composition meurent en 2 heures, et si la concentration de la solution est augmentée à 0,5%, toutes les bactéries meurent en 2 heures. Les levures sauvages sont plus résistantes et peuvent supporter une solution contenant jusqu'à 1,3% d'acide sulfurique pendant plus de deux heures.

Les acides organiques libres inhibent plus efficacement les levures que les sels. Même de faibles concentrations d'acides peuvent supprimer la vie normale des levures et accélérer leur mort. L'acide oléique et l'acide capronique ont l'effet le plus fort. L'augmentation de l'effet de suppression des acides est observée lorsque l'acidité du milieu est réduite à 4 points. Au bout de 24 heures, on peut déjà observer de nombreuses cellules de levure plasmolisées.

La capacité de reproduction des levures peut être réduite sans augmenter le nombre de cellules mortes en utilisant de l'acide formique. On peut également utiliser de l'acide acétique, qui a un effet plus faible.

L'acide oléique (0,045%), l'acide capronique (0,055%), l'acide formique (0,09%), l'acide propionique (0,12%) et l'acide acétique (0,45%) peuvent réduire le rendement d'alcool lorsque le milieu de fermentation contient 13% de saccharose. La réduction n'est observée que lors de l'utilisation des souches de levure B ou Y, tandis que les souches G-176 et G-202 fonctionnent normalement. De telles concentrations d'acides peuvent être présentes dans la mélasse, mais cette solution contient moins d'acides organiques et parfois les acides formique et propionique n'atteignent pas les valeurs requises.

L'acide oléique et l'acide capronique bloquent la fermentation et ralentissent la libération d'alcools chez les levures de toutes les souches.

L'argent ou le cuivre en quantités spécifiques peuvent tuer les levures. En quantités très faibles, les métaux lourds inhibent le développement des cellules. L'effet des métaux sur les levures dépend principalement de la composition de l'environnement, de son acidité, de la température ou du nombre de cellules par gramme de moût. Par exemple, le cuivre peut être plus agressif pour les levures dans des milieux acides, tandis que l'argent se manifeste dans des solutions ammoniacales.

Le furfural dans l'environnement des levures ralentit la multiplication des cellules en réduisant le nombre de bourgeons de levure ainsi que leur taille. De faibles concentrations de cet élément dans l'environnement réduisent l'activité maltase et zymase des cellules microorganismes.

Le sulphanol inhibe les levures, mais a un impact négatif sur les bactéries lactiques. Le chlore, quant à lui, détruit les substances organiques par oxydation.

Les ions Ca, Mg et Fe en quantités élevées endommagent la membrane aqueuse des levures. Cela permet l'agglutination des levures et crée également une charge électrique à la surface des cellules de levure.

Les levures ont elles-mêmes un potentiel électrocinétique négatif. Par conséquent, elles adsorbent des éléments sur leur surface, notamment des mélanoidines qui ont déjà une valeur de potentiel positive. Si l'acidité de l'environnement des levures est réduite, le potentiel des éléments augmente, ce qui augmente également les processus d'adsorption des cellules de levure. Une grande quantité de mélanoidines affecte négativement les cellules, les colorant en couleur sombre et ralentissant leur vitalité jusqu'à leur mort. L'activité enzymatique et l'activité de l'invertase et de la catalase diminuent également. La présence d'un élément dans l'environnement au-dessus de la norme réduit la population de levures de moitié en moins de 24 heures. N'oubliez pas que ces éléments peuvent apparaître dans l'environnement après la dissolution de matières premières contenant de l'amidon.

Si l'acidité de l'eau de lavage est normale, les colorants des cellules de levure ne sont pas désorbés. La valeur normale est considérée comme étant de 3. La désorption commence à partir d'un pH de 9.

La cystéine, le glutathion et d'autres composés sulfhydriles peuvent activer certaines enzymes des cellules de levure. Ils contribuent à l'initiation de la fermentation et activent et régulent le fonctionnement des enzymes. Cela est important pour la viabilité et le métabolisme normal des cellules de levure.

Les composés sulfhydriles jouent un rôle essentiel dans le transfert d'électrons à travers le cytochrome. Le glutathion et la cystéine favorisent une fermentation plus rapide en utilisant des enzymes thiol, qui sont présentes lors de l'oxydation des sucres. Cependant, cette méthode n'est pas rentable car ces éléments sont assez coûteux. En pratique, l'autolysat de levure est utilisé.

Processus de fermentation et respiration cellulaire des levures.

Dégradation anaérobie des glucides.

Dans des conditions anaérobies, la dissimilation fermentative des glucides se produit avec une libération d'énergie importante. De plus, elle entraîne la libération de produits d'oxydation incomplète, ce qui est appelé fermentation.

Pendant le processus de fermentation, les composés organiques agissent en tant qu'accepteurs de carbone. L'oxygène ne participe pas à ces processus et les composés se forment par oxydation.

Le schéma détaillé de tous les processus chimiques observés lors de la fermentation du glucose est représenté sur l'image.

1) Tout d'abord, la formation d'esters phosphoriques de sucres se produit. L'enzyme hexokinase et l'acide adénylique, qui sont considérés comme des donneurs d'acide phosphorique, transforment le glucose en glucose-6-phosphate. Le groupe phosphorique avec l'ATP est transféré sur le glucose par catalyse de l'hexokinase. Le reste de l'acide phosphorique est ensuite attaché à la position du sixième atome de carbone. Le magnésium active l'action de l'enzyme. De la même manière, la conversion du fructose et du mannose se produit, et la réaction du glucose est responsable de la vitesse de toute la fermentation.

2) Ensuite, le phosphate obtenu subit des processus d'isomérisation par l'enzyme glucose-6-phosphate isomérase. La réaction est réversible, et nous obtenons du fructose-6-phosphate en résultat.

3) L'élément obtenu est soumis à l'action de l'enzyme phosphofructokinase. Ainsi, le reste de l'acide phosphorique est attaché à la première position de l'atome de carbone, et grâce à l'ATP, nous obtenons un nouvel élément - le fructose-1,6-diphosphate. La réaction de conversion n'est pas réversible, et la molécule de sucre passe à un état labile d'oxoforme et devient prête à être influencée et transformée par la réduction de la force de liaison entre les troisième et quatrième atomes de carbone.

4) L'enzyme aldolase déclenche le processus de décomposition du fructose-1,6-diphosphate en deux parties du phosphotriose - le glycéraldéhyde-3-phosphate et le dihydroxyacétone phosphate. Cette réaction est réversible.

5) Le processus d'isomérisation commence entre les phosphotrioses obtenus grâce à la catalyse de l'enzyme triosephosphate isomérase.

6) Pendant la période d'induction jusqu'à la formation de l'aldéhyde acétique, une réaction de dismutation entre les molécules d'aldéhyde se produit. Cette réaction est initiée par l'aldéhyde mutase en association avec une molécule d'eau. Une molécule d'aldéhyde glycéryl-phosphate est réduite pour former du glycéryl-phosphate, tandis que la seconde molécule s'oxyde pour former de l'acide 3-phosphoglycérique. Le glycéryl-phosphate ne participe pas aux réactions ultérieures et est un produit secondaire de la fermentation avec libération d'alcool.

7) L'oxydation ultérieure de l'acide 3-phosphoglycérique se produit par une voie complexe. Tout d'abord, il est converti en aldéhyde 1,3-diphosphoglycérique, qui fixe les restes d'acide phosphorique inorganique. Ensuite, l'aldéhyde est oxydé en acide 1,3-diphosphoglycérique par l'enzyme triose phosphate déshydrogénase.

8) La phosphoglycéromutase influence le résultat et isomérise l'acide en acide 2-phosphoglycérique.

9) En conséquence, après la répartition de l'énergie à l'intérieur des molécules, l'acide 2-phosphoglycérique est converti en acide phosphoénolpyruvique. L'énolase catalyse la réaction et est activée par des ions magnésium. Pour maximiser l'effet de l'énolase, il est nécessaire d'atteindre une acidité du milieu de 5,2 à 5,5. D'autres paramètres entraînent l'agrégation des molécules d'énolase.

10) La phosphotransférase et le potassium favorisent le transfert du résidu d'acide phosphorique vers l'ADP, tandis que l'énergie de la réaction est accumulée dans l'ATP.

11) Le résultat sous forme d'acide phosphoénolpyruvique passe à sa forme cétone stable.

12) La carboxylase agit sur l'acide pyruvique et libère du dioxyde de carbone, ce qui permet la conversion en aldéhyde acétique.

13) L'alcool déshydrogénase commence le transfert d'hydrogène sur l'aldéhyde acétique, ce qui conduit à la formation de l'éthanol souhaité et régénère le NAD.

Dégradation aérobie des glucides

La dégradation des glucides en conditions aérobies est pratiquement similaire à celle en conditions anaérobies. La différence réside dans le fait que la formation d'acide pyruvique se fait par son oxydation complète en dioxyde de carbone et en eau dans le cycle des acides tricarboxyliques. Ce cycle implique une série de processus d'oxydation et de réduction qui transfèrent des hydrogènes à l'oxygène moléculaire, considéré comme le dernier accepteur. Ce transfert est rendu possible grâce à des molécules de transport, qui forment également la chaîne respiratoire des cellules. Le schéma des réactions chimiques des éléments pendant la dégradation aérobie du glucose est représenté ci-dessous.

Le catabolisme du glucose forme deux molécules d'acide pyruvique. Au début de tous les processus, la première molécule subit une décarboxylation. Ce processus conduit à la formation d'acide acétique activé.

CH3 · CO · COOH + CoASCH3 + NAD - CH3-CO ~ CoASCH3 + NADH + CO2

La deuxième molécule d'acide est soumise à l'action de l'enzyme pyruvate carboxylase. Par conséquent, elle se condense avec des molécules de dioxyde de carbone. Cela donne de l'acide oxaloacétique.

CH3 · CO · COOH + CO2 + ATP ↔ HOOC · CH2 · CO · COOH + ADP + Pi

L'acide oxaloacétique peut également être formé à partir de l'acide malique.

Tout le cycle des acides tricarboxyliques commence par la réaction de condensation de l'acétyl-CoA avec une molécule d'acide oxaloacétique ou d'oxaloacétate. L'enzyme catalyseur de cette réaction est la citrate synthase. Cette réaction produit de l'acide citrique et du coenzyme A libre.

Les réactions ultérieures sont représentées dans le schéma ci-dessus. Un tour de la molécule d'acide pyruvique implique l'ajout de trois molécules d'eau et la libération de H2 avec les molécules de CO₂. L'équation se présente comme suit:

CH3 · CO · COOH + 2H2O -> CO2 + 10H

Le cycle des acides tricarboxyliques ne dégrade pas seulement les glucides. Il contribue également à la dégradation des acides gras et des acides aminés.

Les dégradations aérobie et anaérobie fournissent aux levures l'énergie nécessaire et assurent une synthèse normale des bioéléments. Par exemple, l'acide oxaloacétique et l'acide alpha-cétoglutarique subissent un processus de réduction par amination et transamination, ce qui permet d'obtenir finalement l'acide aspartique et l'acide glutamique. Dans l'ensemble, la formation de l'acide aspartique est possible à partir de l'acide fumarique. L'obtention de ces acides joue un rôle important dans la synthèse des protéines à partir des glucides. Pour obtenir la biomasse cellulaire requise, les cellules de levure interagissent également avec d'autres éléments. Par exemple, les cellules peuvent emprunter la voie anaplérotique, en particulier la voie des pentoses-phosphates. Ces éléments sont considérés comme des précurseurs des nucléotides et des acides correspondants.

L'oxydation du sucre libère beaucoup plus d'énergie. Ainsi, lors de la réaction, il est possible d'obtenir une plus grande quantité de métabolites prêts à subir d'autres réactions et processus de synthèse. En conséquence, la vitesse de croissance et de reproduction des cellules de levure augmente de manière significative, tout comme leur biomasse.

Quantité de sucre consommée lors des processus de biosynthèse de la fermentation.

La production de levure implique un processus complexe basé sur un certain nombre de réactions chimiques complexes étroitement liées. Il est impossible de calculer exactement la quantité de nutriments nécessaire pour générer de la levure. Par conséquent, des pratiques théoriques approximatives sont utilisées pour estimer la quantité totale de biosynthèse et de fermentation.

Des études ont montré que la mélasse utilise le plus de sucre pour produire de la levure. Pour obtenir un produit fini, environ 64,6 % du sucre est perdu, en tenant compte de toutes les pertes pendant la fermentation. Dans les installations plus modernes spécialisées dans des méthodes spécifiques, ce chiffre est légèrement inférieur.

Lors de la production de levure, le sucre est utilisé pour produire trois produits : les levures elles-mêmes, l'alcool et le dioxyde de carbone. Pour utiliser le sucre de manière optimale, tous ces produits doivent être utilisés. Lors de la fermentation alcoolique, le sucre de mélasse est pratiquement utilisé sans perte pour former les produits nécessaires. Environ 2 à 3 % de sucre non fermenté reste dans la mélasse. Les pertes de sucre dans ce processus représentent environ 7 à 12 % du sucre introduit dans le processus. Par conséquent, le rendement en alcool pur varie de 88 à 93 % de celui calculé théoriquement. La quantité de glycérol produite par la fermentation affecte la composition du milieu nutritif ainsi que ses caractéristiques physiques et chimiques.

La quantité de biomasse cellulaire de levure produite, ainsi que l'étape de leur activité vitale, dépend de l'orientation du processus de fermentation. Cela affecte également la consommation de sucre pour la formation de biomasse. Lors du travail avec un moût mature pour produire des levures de boulangerie, l'objectif est d'obtenir autant de biomasse de levure que possible. Les levures elles-mêmes peuvent être réutilisées pour la fermentation, ce qui augmente la quantité de biomasse sans augmenter la consommation de sucre. Lors de l'utilisation répétée de levure, leur énergie n'est pas réduite, mais augmente au contraire. Cela augmente également l'intensité de la fermentation en raison de la plus grande quantité de levures alcooliques.

La respiration normale des cellules de levure pendant la production de levure nécessite beaucoup de sucre. En chiffres, cela représente environ 6 à 15 % de la quantité totale utilisée. Cette consommation n'est pas stable et peut dépendre de la concentration de sucre dans le milieu nutritif, de la vitesse de saturation du milieu en oxygène, de la température ou d'autres facteurs. En fonction de cela, il existe des moyens d'augmenter la quantité d'alcool produite lors du traitement du mélange.

Théoriquement, selon les équations de fonctionnement de la levure, 66,7 % du carbone du sucre se transforme en alcool et le reste en CO2. Par conséquent, la quantité de carbone utilisée pour la formation de biomasse et la respiration dépend de la quantité de sucre libre dans le milieu de vie.

L'augmentation de la concentration de sucre dans le milieu nutritif de la levure affecte la quantité de biomasse produite et réduit la production de CO2 lors de la respiration de la levure. Ainsi, la fermentation avec cette approche est plus économique.

La réduction de la température de la liqueur diminue la consommation de sucre par la respiration de la levure, tandis que l'augmentation de l'intensité des réactions d'oxydation entraîne une réduction de la quantité de levure produite.

Micro-organismes vivant avec les levures

Pendant le processus de fermentation, il est extrêmement important de protéger les levures des autres micro-organismes indésirables qui pourraient perturber leur fonctionnement normal. Il peut s'agir de bactéries étrangères ou de souches sauvages de levure qui se retrouvent accidentellement dans le milieu nutritif par le biais de l'eau, de l'air ou d'autres types de matières premières. Après leur introduction dans les équipements où se déroule la fermentation, les micro-organismes indésirables peuvent s'accumuler et finir par évincer la culture de levure souhaitée. De plus, les bactéries étrangères consomment une partie du sucre du moût, ce qui réduit globalement la quantité d'alcool final. Elles peuvent également synthétiser des acides organiques, des enzymes et d'autres produits étrangers qui entraînent une acidification du milieu, ainsi qu'une diminution des caractéristiques des levures. Par conséquent, la quantité d'amidon et de sucre non fermenté augmente dans le moût.

Détails sur les micro-organismes indésirables

Bactéries lactiques

Il existe plusieurs types de bactéries lactiques, notamment des bactéries cylindriques, en forme de bâtonnets, sphériques, en forme de boule, gram-positives, immobiles et non sporulantes. Les bactéries lactiques de type hétérofermentatif produisent des acides volatils, de l'alcool et de l'hydrogène, tout comme l'acide lactique.

Les bactéries lactiques se développent mieux à des températures de 20 à 30 degrés Celsius. Les espèces thermophiles de bactéries lactiques se développent mieux à des températures supérieures de 20 degrés. Comme d'autres micro-organismes, les bactéries lactiques meurent à des températures comprises entre 70 et 75 degrés Celsius.

Les groupes de bactéries les plus couramment rencontrés sont : Lacto. bacillius plantarum, Lact. breve, Lact. fermentii, Leuconostoc mesenterioides, leuc. agglutinans. Les bactéries de l'espèce Leuconostoc mesenterioides sont entourées d'une capsule muqueuse qui leur permet de résister à des températures élevées et à l'action des acides. Elles meurent dans un milieu liquide à une température de 112 degrés pendant 20 minutes. Elles peuvent survivre dans une solution d'acide sulfurique pendant une heure. Les Leuc. Agglutinans peuvent adhérer aux levures et agglutiner leurs cellules.

Bactéries acétiques

Les bactéries acétiques se présentent sous la forme de cellules à Gram négatif, de bâtonnets ou de non sporulées, qui sont exclusivement des cellules aérobies vivant dans un environnement similaire à celui des levures. Les bactéries acétiques peuvent agir comme des oxydants sur l'alcool, ce qui peut conduire à la formation d'acide acétique. De même, l'alcool propylique est converti en acide propionique, et l'alcool butylique en acide gras. Certains types de bactéries peuvent également agir sur le glucose pour produire de l'acide gluconique ou sur le xylose pour produire de l'acide xylonique. Cependant, l'alcool éthylique ordinaire est considéré comme le principal substrat de vie de ces bactéries. Les espèces les plus courantes sont : Acetobacter aceti, Acet. Pasteurianium, Acet. oxydans. Ce sont des bâtonnets mesurant jusqu'à 3 µm. Parfois, ils se regroupent en chaînes. Ils vivent dans un environnement de 20 à 35 degrés. La première espèce de bactéries peut supporter une concentration d'alcool jusqu'à 11%. Les levures ralentissent leur croissance et leur développement lorsque la quantité de ces bactéries, ainsi que de leurs produits métaboliques, devient importante.

Bactéries butyriques

Les bactéries butyriques se présentent sous la forme de gros bâtonnets mobiles mesurant jusqu'à 10 µm. Elles sont sporulantes et exclusivement anaérobies. Les spores de ces bactéries sont cylindriques ou ellipsoïdales. En plus de l'acide butyrique, elles peuvent produire de l'acide acétique, lactique ou capronique, mais en moindres quantités. De plus, elles peuvent produire de l'alcool éthylique ou butylique. Cette fermentation se propage bien dans les stations de pompage, les tuyaux ou des endroits similaires et cachés. La température optimale de croissance est de 30 à 40 degrés. L'acidité du milieu est inférieure à 4,9. Les bactéries butyriques ne se développent pas dans d'autres milieux.

Il est inacceptable d'observer des bactéries butyriques lors de la production d'alcool, car l'acide qu'elles produisent perturbe le fonctionnement normal des levures.

Bactéries putréfactives

Les bactéries putréfactives sont des types de bactéries responsables de la décomposition des substances protéiques. Elles peuvent vivre dans des conditions aérobies et anaérobies. Dans des conditions aérobies, elles peuvent minéraliser complètement les protéines en dioxyde de carbone. Dans des conditions anaérobies, elles accumulent des substances toxiques ainsi que d'autres composés organiques. Les bactéries sont mobiles, résistantes aux températures élevées et peuvent former des spores. La plage de température normale est de 36 à 50 degrés Celsius. Parmi les anaérobies, on peut citer Escherichia coli et Proteus vulgaris. Parmi les aérobies, Clostr. putrificum et Clostr. sporogenes.

Les bactéries putréfactives ont un impact particulièrement négatif sur les levures utilisées dans la boulangerie, réduisant considérablement leur durée de conservation. Certaines bactéries putréfactives peuvent produire des nitrites, ce qui ralentit considérablement la croissance des levures.

Дрожжи, которые считаются опасными для производства спирта. Они потребляют в разы больше обычных дрожжей сахара, при этом выделяя мало спирта. Культурные дрожжи плохо приживаются с дикими клетками. Многие виды диких дрожжей преобразуют сахар в орг. Кислоты, а также занимаются окислением спирта.

Микрофлора воды и воздуха.

Вода, которая используется для приготовления среды обитания не должна содержать более 100 бактерий на один миллилитр. Большие заводы спирта используют воду из водоемов с микроорганизмами таких видов: Esch. coli, Esch. freundi (Bact.citrovorus), Klebsiella aerogenes, Acrobacter cloacae, Bac. Subtilis, Bac. Mesentericus, Pseudomonas nonliguefaciens.

Cependant, il peut y avoir de nombreuses bactéries acides dans un millilitre d'eau. C'est pourquoi elle est préalablement chlorée afin de stabiliser le nombre de micro-organismes. On utilise à cet effet de l'hypochlorite de sodium, de la chaux chlorée ou de l'hypochlorite de calcium. Il faut jusqu'à 40 mg de chlore actif par litre d'eau. Après la désinfection, l'eau peut être utilisée à des fins technologiques. Parfois, on peut utiliser du dichlorantine. Ce produit n'est pas toxique et contient près de 70% de chlore actif. Il se dissout facilement dans l'alcool et les composés chlorés, mais est peu soluble dans l'eau. Si le chlore actif dans l'eau est maintenu à un niveau inférieur à 20 mg/l, les bactéries sporulantes ne meurent pas. Ainsi, plus d'alcool est obtenu grâce à une fermentation alcoolique améliorée.

L'air est également purifié car il contient une grande quantité de micro-organismes qui ont un effet négatif sur la production d'alcool et les propriétés des levures boulangères. Les ateliers utilisant des levures fourragères dans les usines sont également purifiés. Les bactéries suivantes se trouvent dans l'air : Bacillus mesentericus, Bacillus mycoides, Bacillus megatherium, Bacillus subtilis, les bactéries du genre Pseudomonas, les sarcines (Sarcina lutea), les spores des moisissures du genre Penicillium et Aspergillus, les champignons levuriformes du genre Candida. Parfois, des bactéries lactiques sont présentes.

La purification se fait en aspirant l'air des endroits les plus éloignés du sol à l'aide de soufflantes d'air. Ensuite, des filtres à huile sont installés pour effectuer une purification primaire. Les pompes à air humide nécessitent l'installation de filtres sur les conduites d'aspiration de l'air. Les soufflantes turbo nécessitent l'installation de filtres sur les conduites de refoulement.

Les filtres "Laik" sont souvent utilisés. Ils utilisent un matériau filtrant hydrophobe. L'air filtré avec un tel filtre peut rester purifié pendant 3 mois sans nécessiter de remplacement du matériau. La pureté de l'air est maintenue à un niveau de 97 à 99 %. Il existe des filtres qui utilisent de la laine de verre comme matériau filtrant.

Naturellement - une culture de levure pure.

Naturellement - une culture de levure pure est une levure qui est cultivée dans des conditions optimales, où les micro-organismes étrangers sont modérément présents et leur développement est inhibé.

La température de croissance des micro-organismes ajoutés et des levures est pratiquement la même. Elle est également proche de la température normale de fermentation alcoolique, et donc le milieu est régulé en ajustant le pH avec de l'acide sulfurique ou lactique. Bien sûr, le pH n'est pas favorable à la multiplication active des levures, mais cette approche permet d'obtenir une culture microbiologiquement pure.