Спиртовые дрожжи в промышленном производстве спирта

Общая характеристика дрожжей

Saccharomyces cerevisiae - это разновидность спиртовых дрожжей. Как и все вещества такого типа, Saccharomyces cerevisiae это одноклеточные микроорганизмы класса аскомицетов или же сумчатых грибов. Они используются для того, чтобы запускать процесс сбраживания сахара и постепенном его превращении в спирт. Saccharomyces cerevisiae размножаются почкованием. Если микроорганизмы обитают в среде, которая крайне истощена питательными веществами, они могут размножаться спорообразованием.

Микроорганизмы Saccharomyces cerevisiae в основном овальной или вытянутой формы. Также можно встретить яйцевидные и эллипсоидальные особи. Их величина в среднем 6 - 11мкм и зависит от непосредственно вида дрожжей, а также условий, в которых они обитают. Объем и длина клетки у дрожжей влияют на скорость взаимодействия микроорганизма с питательной средой. Поэтому, чем больше в объеме и поверхности клетка дрожжей, тем быстрее и интенсивнее у них жизнедеятельность.

Сама клетка дрожжей стандартно состоит из оболочки, которая вмещает другие части тела дрожжей: цитоплазму и ядро. Внутренняя часть оболочки дрожжей представлена в виде белковых веществ, фосфолипидов и липоидов, когда наружная часть в своем строении имеет полисахариды и следы хитина. Оболочка в первую очередь регулирует все остальные части тела дрожжей, а также позволяет поглощать дрожжами некоторые вещества.

Рис. Электронная микрофотография дрожжевой клетки: 1 - клеточная стенка; 2 - цитоплазматическая мембрана дрожжевой клетки; 3 - цитоплазма; 4 - ядро; 5 - митохондрии; 6 - почка

Цитоплазма дрожжей имеет вязкую структуру. Такая особенность характерна дрожжам из-за белковых веществ в основе. Кроме белков, цитоплазма имеет в составе: рибозонуклеопротеиды, липоиды, углеводы. Также, в цитоплазме много воды, что позволяет протекать важным ферментативным процессам. Молодые клетки отличаются гомогенной цитоплазмой. При старении, в клетках дрожжей появляется равномерная зернистость, а также вакуоли и жировые участки.

Хондриосомы или же митохондрии у Saccharomyces cerevisiae предствлены в виде зернистых образований или же нитей. Эти части клетки отвечают за аккумуляцию полезных веществ, которые после попадания в клетку подвергаются специальным быстротечным процессам для дальнейшего превращения. Митохондрии также отвечают за активацию аминокислот, которая возможна только во время синтеза белков или других соединений.

Рибосомы Saccharomyces cerevisiae представлены в виде особых включений зернистой формы. Они состоят из липоидов, белков и РНК. Последние отвечают за синтез белков и активацию аминокислот, которые поступают из митохондриальной системы.

Ядро клетки Saccharomyces cerevisiae - это тело в виде шара или овала. Со всех сторон оно окружено в цитоплазме, которая не растворяет его. Ядро содержит в себе ДНК и ДКНП. Также, в ядре есть большое количество РНК. ДНК в дрожжах отвечает за накопление и передачу информации о микроорганизме в наследство.

Еще одной обязательной частью Saccharomyces cerevisiae является вакуоля. Вакуоли - это специальные скопления, которые образуются в плазме при старении клетки дрожжей. От цитоплазмы он отделяются специальной оболочкой - вакуолярной мембраной, которая состоит из белков и липидов. Форма вакуоли постоянно меняется и зависит от движения и концентрации цитоплазмы. Молодые клетки дрожжей имеют вакуоли в виде некоторого количества мелких скоплений. В более старых клетках, вакуоли представлены в виде одного большого скопления. Вакуоли отвечают за формирование соединений, которые подвергаются ферментации, а также образуют продукты жизнедеятельности. Молодые клетки Saccharomyces cerevisiae практически не имеют жировых скоплений. Некоторые старшие клетки имеют мелкие вкрапления жировых элементов. Старые клетки жир скапливается в крупные капли.

Запасным питательным веществом для Saccharomyces cerevisiae является гликоген. Это вещество из группы полисахаридов структурно напоминающее амилопектин. Оно накапливается в средах, которые богаты на сахар во время культивации спиртовых дрожжей. Когда сахар в дефиците, гликоген быстро израсходуется. Зрелые клетки имеют примерно 40% гликогена. Молодые особи практически не имеют данного вещества.

Внешний вид дрожжевых клеток характеризирует общее состояние организма. Путем окрашивания, можно определить количество гликогена, а в следствии и физиологическое состояние дрожжей. В производстве используются сразу все стадии жизни дрожжевых клеток: молодые, зрелые, старые и отмершие. Наиболее эффективными в плане бродильной энергии являются зрелые клетки.

Для производства спирта используются только те спиртовые дрожжи, которые обладают достаточно высокими бродильными свойствами. Они обязательно должны иметь анаэробный тип дыхания, сбраживать сахар быстро и в полной мере, а также быть достаточно устойчивыми к продуктам своей жизнедеятельности и продуктам жизнедеятельности других микроорганизмов. Важно, чтобы дрожжи могли переносить большое количество солей и сухих веществ, которые могут быть в наличии в спиртовом сусле.

Спиртовые заводы, которые специализируются на переработке мелассы распространены дрожжи расы Я. Для хлебопекарень используются рас Ял и В. Они хорошо справляются со сбраживанием сахарозы, глюкозы и фруктозы. Раффиноза сбраживается только на 30%. Поэтому, недобор спирта в такой ситуации составляет достаточно большую величину. Каждый процент раффинозы во время полного сбраживания увеличивает выход спирта на 1.46%.

Бродильная активность дрожжей может быть повышена. Это возможно за счет процессов мутагенеза или гибридизации. Для получения видов дрожжей с повышенной бродильной активностью лучше всего подошел метод гибридизации. Он базируется на том, чтобы скрестить два родительских вида дрожжей и вывести расы дрожжей с заранее известными, выбранными свойствами. Таким образом, было получено ряд важных, эффективных гибридов дрожжей, которые имеют преимущества над расами дрожжей Я и В. Гибриды получили специальный фермент - а-галактозидазу, который позволяет полностью сбраживать раффинозу. Некоторые дрожжевые гибриды получили лучшие хлебопекарные свойства, а также повышенную генеративную функцию. Гибрид 112 проявил лучшую мальтазную активность, однако накопление спирта у него меньше на 1%, если сравнивать с дрожжами расы В. Гибриды 67 и 105 имеют такой же выход спирта, как и раса В, однако обладают большей генеративной способностью. Раса Г- 67 имеет повышенную устойчивость к пониженной рН среде. В ней образуется больше спирта, во время сокращения расходов сахарозы на сторонние продукты.

Во время процесса сбраживания сусла из сырья, которое содержит крахмал используют дрожжи расы ХII. Они отлично справляются с задачей сбраживания фруктозы, сахарозы и мальтозы, однако не сбраживают декстрины. Гидролиз декстринов осуществляется во время воздействия на декстриназы солода. В следствии этого, вся скорость сбраживания сусла, которое содержит крахмал зависит от скорости гидролиза декстринов.

Оптимальная среда обитания спиртовых дрожжей.

Спиртовые дрожжи нормально живут в своеобразной среде, в которой есть определенная температура, уровень рН и химический состав питательной среды.

Какая должна быть температура, а также рН браги?

Спиртовые дрожжи могут нормально жить при разной температуре. Однако, наиболее приятной для них считается диапазон от 29 до 30 градусов Цельсия. Очень высокая или низкая температура среды тормозит или полностью нейтрализует жизнедеятельность дрожжей. Максимально допустимая температура дрожжей - 38 градусов Цельсия. Минимальная температура - 5 градусов. Другие температуры не особо приятны для микроорганизмов, а при температуре выше 50 градусов, особи умирают.

Стоит учитывать, что нормальная температура для адекватного и эффективного развития дрожжей и температура, при которой проявляется наиболее хорошая бродильная активность не должна быть одинакова. Есть ситуации, когда дрожжи, которые были выращены при температуре в 17 - 22 градусов могут иметь большую бродильную энергию, нежели другие дрожжи. Если сбраживать состав при температуре, которая превышает 30 градусов, может проявится негативное влияние на качество продукта. Для того, чтобы сохранить ферментативную активность, подъемную силу и стойкость дрожжей лучше соблюдать температурный режим в пределах 28 - 29 градусов. Жидкость на основе веществ с крахмалом рекомендуется сбраживать в пределе 28 - 32 градусов.

От повышения температуры также зависит скорость размножения диких дрожжей и бактерий, которая может значительно превышать скорость размножения сахаромицетов. Например, при температуре в 32 градуса, скорость размножения диких дрожжей больше в 3 раза и в 8 раз при температуре 38 градусов. Такие темпы развития бактерий повышают также уровень кислотности среды, в которой они обитают, что приводит к понижению уровня выхода спирта. Уровень кислотности среды, в дальнейшем влияет и на активность жизнедеятельности спиртовых дрожжей. Ионы водорода, могут влиять на оболочку микроорганизмов. Определенная концентрация может или увеличивать, или уменьшать способность пропускать оболочкой вещества из среды. Поэтому, уровень кислотности среды, напрямую влияет на скорость получения дрожжами питательных веществ из браги, что влияет на активность ферментов и образование бактерией витаминов. Кроме того, уровень рН влияет и на тип брожения. Таким образом, если сдвинуть уровень кислотности в сторону щелочности, то в среде увеличится количество глицерина. Оптимальным для нормальной жизнедеятельности дрожжей считается уровень кислотности от 2 до 8. Для выращивания дрожжей лучшим вариантом будет держать рН на уровне от 4.8 до 5. На уровнях рН ниже, дрожжи могут развиваться, хоть и замедленно. Развитие же молочнокислых бактерий на уровнях ниже 4.8 полностью прекращается. Такая особенность спиртовых дрожжей может использоваться для подавления некоторых бактерий в сусле. Жидкость искусственно подкисляют до приемлемого уровня, выжидают некоторое время и возвращают нормальные показатели.

Состав оптимальной среды для спиртовых дрожжей

Химический состав влияет на то, сколько питательных веществ нужно для нормальной жизнедеятельности спиртовых дрожжей. Он зависит от качества питательной среды и условий, в которых были развиты дрожжи и их физиологические особенности. Если разбирать химический состав клетки дрожжей, то на 47% она состоит из углерода, на 6.5% из водорода, на 31% из кислорода, на 7.5% из азота и на 1.5 из фосфора. Незначительно могут встречаться следы других элементов: кальций, калий, магний, натрий, сера. Их количество не превышает 0.5% от общей массы. Также в некоторых дрожжах могут быть остатки железа, меди или цинка.

Спиртовые дрожжи, которые поддавались прессовке содержат почти 75% воды и остальное число сухого вещества. Общая влажность состава влияет на соотношение количества внутриклеточной и межклеточной влаги. То есть, удаление воды из состава спиртовых дрожжей в целом не влияет на их жизнеспособность при температурах в пределах 50 градусов.

Сухие части дрожжей состоят на 25% из органических частей: 13% белка, 6% гликогена, 2% жира, 2% целлюлозы. Так же дрожжи имеют до 5% золы.

Детальнее о составе среды дрожжей:

• Белки

Сырого белка в дрожжах насчитывается примерно 50%, истинного в районе 45% от всего количества белков. Таким образом, в составе сырого белка, можно найти все соединения азота и нуклеиновых кислот в виде пуриновых и пиримидиновых аминокислот.

• Гликоген

В случаях, когда в питательной среде отсутствуют нужные дрожжам вещества, гликоген превращается в спирт или диоксид углерода.

• Трегалоза

Трегалоза находится в клетке вместе с гликогеном, поскольку это довольно мобильный углерод, который считается резервным и является элементом для обеспечения стойкости дрожжей, что используются для хлебопекарен. Количество такого углерода в клетке дрожжей увеличивается в зависимости от уменьшения азота в среде или изменения кислотного уровня среды до показателей ниже 4.5.

• Жиры

В качестве жиров в спиртовых дрожжах выступают олеиновая, линолиновая и пальмитиновая кислота.

• Зола

Представлена в виде основных окислов.

• Фосфор

Элемент содержится в виде органических или неорганических фосфатов. Эти части входят в состав молекул нуклеиновых кислот, коферментов и тиамина, а именно в ядерных веществах клеток можно найти следы фосфора. Элемент важен во время прохождения различных энергетических процессов в клетках дрожжей.

• Сера.

Сера в спиртовых дрожжах представлена в составе аминокислот и витаминов. Также ее можно встретить в составе ферментов как сульфидные и тиоловые группы.

• Железо

Железо берет участие в работе важных ферментов, таких как зимогеназа и пирофосфатаза, а также находится в ферментах, которые отвечают за дыхание клетки.

• Магний

Магний отвечает за активацию в спиртовых дрожжах фосфатаза и энолазы. Ионы химического элемента эффективно справляются с сохранением активности некоторых ферментов во время повышения температуры. Кроме того, магний помогает быстрее обрабатывать дрожжами глюкозу: чем выше глюкозы в среде обитания дрожжей, тем эффективнее магний справляется с этой задачей. Оптимальная питательная среда должна иметь в районе 0.05% магния. В некотором роде, при помощи магния можно регулировать процесс брожения за счет регулировки количества ионов в среде.

• Калий.

Элемент необходим для двух функций: питательной и для размножения спиртовых дрожжей. Калий берет участие в окислительном процесс и процессе гликолиза. Поэтому, фактически, калий помогает регулировать и стимулировать движение фосфора внутрь клетки дрожжей.

• Кальций

Кальций используется дрожжами для активации процессов в микроорганизме. Ионы кальция связываются с АТФ и ингибирует некоторые ферменты дрожжей. Повышение количества ионов кальция тормозит размножение дрожжей, понижает возможность накапливать дрожжами гликоген и повышает % количество стеринов. В цифрах, кальция до 40 мг на 1 л жидкости для дрожжей повышает возможность дрожжей размножаться. Большее количество тормозит размножение.

• Микроэлементы.

Микроэлементы также принимают активное участие в процессе размножения дрожжей, а также поддержке из нормальной жизнедеятельности. Фактически, микроэлементы входят во все составы ферментов, витаминов или других соединений, которые берут участие в синтезе. Кроме того, микроэлементы могут регулировать скорость, а также особенности протекания тех или иных химических процессов в среде. Кобальт помогает размножаться дрожжам, повышает количество азота и азотных веществ в клетках дрожжей. Он увеличивает синтез витаминных веществ, рибофлавина, аскорбиновых кислот и т.д.. Микроэлементы вступают в соединения с другими ферментами и элементами, что и обуславливает их стимулирующее действие. Эффект стимулирования напрямую зависит от качества и прочности соединения, которое возникло.

• Витамины и другие частицы

Не менее важным фактором для оптимального развития спиртовых дрожжей, а также эффективного брожения являются витамины, которые используются в качестве кофакторов в ферментах. Сами по себе, дрожжи могут синтезировать практически все витамины. Исключением является биотин. Он обязательно должен быть в питательной среде.

Среди других частиц можно выделить жирные кислоты, которые влияют на рост дрожжей. Наиболее стимулирующей является олеиновая кислота с 18 атомами углерода. Однако концентрация кислоты в питательно среде должна быть не большой, в диапазоне до 0.5 мг\мл. повышенная концентрация олеиновой кислоты наоборот замедляет рост микроорганизмов.

Питание и его источники для спиртовых дрожжей

Спиртовые дрожжи питаются экзогенным и эндогенным способом. Во время экзогенного питание, микроорганизм получает питательные вещества из внешней среды. Эндогенное питание подразумевает израсходование резервных веществ, которые были накоплены раньше. Такой способ «запускается» в тогда, когда клетка голодает. Она начинает потреблять гликоген, трегалозу липиды и т.д..

Углеродное питание спиртовых дрожжей.

Углерод для спиртовых дрожжей довольно важный элемент. Они используют его для различных органических соединений. Например, для глюкозы, маннозы, фруктозы или галактозы. Важно также учитывать то, с какой последовательностью дрожжевая клетка потребляет источники углерода. В первую очередь, дрожжи потребляю глюкозу и фруктозу. Раса дрожжей влияет на последовательность потребления жирных кислот дрожжами. На эту последовательность также влияет и состав жирных кислот. Уксусная кислота поглощается клетками вместе с глюкозой. Тенденция поглощения углерода отвечает тому, какой его источник больше всего влияет на скорость роста клеток.

Во время непрерывного культивирования клеток спиртовых дрожжей в среде обитания дрожжей остается больше углеродов. В данному случае, он будет усваиваться клетками в последнюю очередь.

Поглощение веществ также зависит от вида дрожжей. Дикие дрожжи хорошо умеют усваивать галактозу, а дрожжи вида Cand. Clausseni абсолютно ее не поглощают.

Для того, чтобы дрожжи нормально усваивали мальтозу и сахарозу, ферментами запускается процесс гидролиза для нейтрализации дисахаридов в моносахариды. В процессе перехода дрожжей из анаэробного состояния к аэробному, они перестают сбраживать мальтозу и глюкозу, однако их сахарозная активность повышается в 3 раза. Мальтозу спиртовые дрожжи начинают потреблять только после того, как в среде закончится фруктоза или глюкоза, но полное сбраживание мальтоза все равно проходит во время стационарной фазы роста спиртовых дрожжей.

Не менее важное значение во время диссимиляции и синтетических процессов имеет органическая кислота. Дрожжи, в зависимости от вида или расы могут использовать жирные кислоты как источник углерода. Например, дрожжи могут потреблять уксусную, пировиноградную, молочную, масляную и другие кислоты, если их концентрация в норме. Стимулируют рост спиртовых дрожжей также калийные соли и кислоты с атомами углерода в молекулах. Они способны ускорить процесс роста до 3 раз, если сравнивать с другими молекулами кислот.

Жирные кислоты, которые имеют среднюю длину углеродной цепи, спиртовые дрожжи практически не потребляют. Низкие концентрации таких кислот приемлемы для питательной среды, однако высокие способны тормозить рост микроорганизмов. Кислоты с длинными углеродными цепями в 12 - 17 атомов в молекулах потребляются в зависимости от того, какого типа, рода и расы дрожжи.

Кроме того, спиртовые дрожжи могут использовать продукты из цикла Кребса в качестве источников углерода. А именно: фумаровая, яблочная, лимонная, янтарная, и пировиноградная кислота могут выступать элементами для углеродного питания.

Азотное питание спиртовых дрожжей.

Спиртовые дрожжи могут потреблять все аминокислоты, которые есть в составе белков дрожжей за счет неорганических азотистых соединений. Вид дрожжей Sacch. Cereviesiae способен усваивать только две формы азотистых соединений, а именно аммиачные соединения и соединения органических веществ. Дрожжи способны поглощать азот сульфата, мочевину, фосфат аммония и аммиачные соли жирных кислот. Если в среде есть достаточное количество сахаров, соли аммиака используются лишь для того, чтобы обеспечивать клетку достаточным количеством азота. В процессе потребления азота клеткой дрожжей меняется кислотность среды за счет выделения в среду кислот. Лучше всего спиртовыми дрожжами усваивается аммиачный азот.

Стоит учитывать, что аминокислоты в среде одновременно являются как источниками углерода, так и азота. Азот формируется за счет отщепления аминогрупп от кетокислот и усваивается клетками дрожжей. Аминокислоты могут также поглощаться из питательной среды, если в ней есть достаточное количество сахара, а также полный набор этих кислот. Такой нюанс позволяет снизить расход сахара для питания спиртовых дрожжей и значительно увеличить выход спирта во время процесса брожения. Этот же процесс гарантирует синтез белков, а также ферментов, в том числе тех, которые уже присутствуют в клетке.

Органический азот может потребляться дрожжами только при наличии достаточного количества витаминов, а именно биотипа, тиамина и пиридоксина. Холин, пурин, бетаин, а также другие азотистые соединения схожего типа дрожжи не способны усваивать. Пептиды усваиваются частично. Их потребление зависит от сложности элемента: с повышением сложности, усваивание значительно снижается. Допустимое количество пептидов обеспечивает поглощение аминокислот.

Количество азота в дрожжах может сказать о том, в каких условиях клетки были культивированы и какое физиологическое состояние на данный момент у них. Содержание азота в клетках также зависит от количества питательных веществ, которые вводятся дополнительно и от вида\расы дрожжей. В целом, количество азота в дрожжах колеблется от 7 до 10% на единицу сухого вещества.

Фосфорное питание спиртовых дрожжей.

Анаэробная среда обеспечивает усваивание дрожжами фосфора в начальный период брожения. Его потребление в этот период составляет от 80 до 90% от всего содержания в дрожжах. Молодые клетки, которые активно размножаются имеют больше фосфора в составе по сравнению с более старыми клетками. Тенденция четко прослеживается в сухом веществе смесей: в первые 6 часов брожения спиртовых дрожжей наблюдается 2% фосфора, когда к концу брожения в районе 1%.

В среде с крахмальным сырьем есть нужные для спиртовых дрожжей фосфоросодержащие соединения. В остальных средах питания необходимо добавлять ортофосфорную кислоту для нормального течения брожения.

Остальные факторы, которые влияют на размножение спиртовых дрожжей

Помимо описанных выше параметров, на скорость размножения дрожжей влияет осмотическое давление в клетке микроорганизма, а также среде его обитания. С повышением давления повышается также скорость размножения.

Стимулировать дополнительный рост спиртовых дрожжей можно за счет воздействия на них ультразвуком. После такой обработки у дрожжей в несколько раз увеличивается активность инвертазы. На хлебопекарные дрожжи ультразвук также влияет достаточно эффективно. За час такого воздействия можно увеличить подъемную силу дрожжей на 15-18% и увеличить у них количество эргостерина на 45-60%. Эффективность воздействия зависит от частоты ультразвука.

Винные дрожжи показывают лучшие бродильные результаты под воздействием Y-лучей. Также, под такой обработкой у хлебопекарных дрожжей повышается мальтазная активность. Однако, если дрожжи длительно облучать ультрафиолетовыми лучами, то они теряют свои способности, а именно перестают синтезировать лейцин или изолейцин. Из-за таких экспериментов можно получить мутированные клетки, которые не могут выделять изобутиловый и изоамиловый спирт. На хлебопекарные дрожжи ультрафиолетовые лучи воздействуют по-другому: повышают их мальтазную активность в несколько раз.

Слабые щелочные растворы, а также спирты или эфиры негативно воздействуют на клетки дрожжей путем растворения их липоидных веществ. Таким образом, спирт при относительно небольшом объеме в питательной среде может значительно замедлять размножение дрожжей. Но, если питательной среды поступает достаточное количество, дрожжи могут размножаться и с высокой концентрацией спирта. Даже с пропорцией в 10% спирта дрожжи продолжают сбраживать сахар, поскольку размножение и развитие клеток зависит от количества питательных веществ в браге, а не от количества спирта в ней. Для того, чтобы нивелировать влияние спирта в составе на дрожжи существует разработанная схема, которая сбраживает состав под вакуумом.

Негативно на жизнедеятельность дрожжей влияет формалин и соли тяжелых металлов. Даже самая маленькая часть этих веществ в составе уменьшает скорость развития и размножения спиртовых дрожжей. Также, портят среду обитания для дрожжей сернистая, азотистая и фтористо - водородная кислота. Малые концентрации веществ снижают рост клеток, а также значительно ухудшают их качество и подъемную силу.

Серная кислота в объемах от 0.35 до 0.6% не влияет на жизнеспособность клеток дрожжей на начальных этапах. После суток дрожжей в таком составе примерно 2% особей умирает. Молочные бактерии в составе с такой консистенцией погибают через 2 часа, а если увеличить состав раствора до 0.5%, погибают за 2 часа все бактерии. Дикие дрожжи более устойчивы и могут выдерживать раствор с пропорцией 1.3% серной кислоты более двух часов.

Органические кислоты свободного типа ингибируют дрожжи эффективнее солей. Даже небольшие концентрации кислот способны подавить нормальную жизнь дрожжей, а также ускорить их гибель. Сильнее всего влияет масляная и капроновая кислота. Повышение эффекта подавления от кислот наблюдается от снижения кислотности среды до 4 пунктов. Уже через сутки такого эффекта можно наблюдать много плазмолизированных клеток дрожжей.

Снизить способность размножения дрожжей без увеличения количества погибших клеток можно за счет муравьиной кислоты. Также, можно использовать уксусную кислоту, которая имеет более слабый эффект.

Масляная кислота (0.045%), капроновая кислота (0.055%) муравьиная кислота (0.09%) пропионовая кислота (0.12%) и уксусная кислота (0.45%) способны снизить выход спирта, если сбраживать синтетическую среду с 13% составом сахарозы. Снижение наблюдается только, если использовать дрожжи расы В или Я, раса Г - 176 и Г - 202 работают нормально. Такие концентрации кислот можно встретить в мелассе, но в этом растворе меньши органических кислот, а муравьиная и пропионовая кислота иногда не доходит до нужных показателей.

Масляная и капроновая кислота блокирует сбраживание и тормозит выделение спиртов у дрожжей всех рас.

Серебро или медь в определенных количества может убивать дрожжи. В крайне малых количества, тяжелые металлы тормозят развитие клеток. Воздействие металлов на дрожжи зависит в первую очередь от состава всей среды, уровня ее кислотности, температуры или количества клеток на грамм браги. К примеру, медь может быть более агрессивной для дрожжей в кислых средах, а серебро проявляет себя в аммиачных растворах.

Фурфурол в среде обитания дрожжей замедляет размножение клеток путем уменьшения количества почек дрожжей, а также их размеров. Малые консистенции этого элемента в средах обитания снижает мальтазную и зимазную активность клеток микроорганизмов.

Сульфанол как элемент подавляет дрожжи, но негативно воздействует на молочнокислой бактерии. Хлор в свою очередь разрушает органические вещества путем их окисления.

Ионы Ca, Mg, Fe в повышенном количестве разрушают водную оболочку дрожжей. Таким образом, появляется возможность агглютинации дрожжей, что создает также электрический заряд на поверхностях клеток дрожжей.

Дрожжи сами по себе имеют отрицательный электрокинетический потенциал. Поэтому, они адсорбируют на поверхности элементы - меланоидины, которые уже имею положительное значение потенциала. Если понижать кислотность среды обитания дрожжей, потенциал элементов возрастает, что также увеличивает процессы адсорбции дрожжевых клеток. Большое количество меланоидинов негативно влияют на клетки, окрашивают их в темный цвет и тормозят жизнедеятельность вплоть до смерти клетки. Снижается также ферментативная активность и активность инвертазы и каталазы. Наличие в среде элемента в пределах выше нормы уменьшает популяцию дрожжей в два раза меньше чем за сутки. Не забывайте, что эти элементы могут появляться в среде после того, как сырье с содержанием крахмала разваривают.

Если кислотность промывной воды в норме, то красящие вещества дрожжевой клетки не поддаются десорбции. Нормальным считается показатель 3. Десорбция начинается от рН на уровне 9.

Цистеин, глютатион, а также другие сульфгидрильные соединения могут активировать некоторые ферменты дрожжевых клеток. Они способствуют запуску ферментации, а также активируют и регулируют работу ферментов. Это важно для нормально жизнедеятельности и обменных веществ в клетках дрожжей.

Сульфгидрильные соединения являются крайне важными участниками передачи электрона через цитохром. Глютатион и цистеин способствуют более быстрому спиртовому броожению за счет тиоловых ферментов, которые наблюдаются во время окисления сахара. Но, такой метод не эффективен в плане цены, элементы достаточно дорогие. На практике используется дрожжевой автополизат.

Процес брожения и дыхания клетки дрожжей.

Анаэробный распад углеводов.

В анаэробных условиях ферментативная диссимиляция углеродов происходит с значительным выделением энергии. Кроме того, она приводит к выделению продуктов неполного окисления, что и называется брожением.

Во время процесса брожения органические соединения выступают как акцепторы углерода. Кислород в этих процессах участие не берет, а соединения появляются в результате окисления.

На рисунке изображена детальная схема всех химических процессов, которые наблюдаются во время брожения глюкозы.

1) Сначала происходит образование фосфорных эфиров Сахаров. Фермент гексокиназа и адениловая кислота, которые считаются донаторами фосфорной кислоты превращают глюкозу в глюкопиранозо-6-фосфат. Фосфорная группа с АТФ на глюкозу переносится за счет процесса катализа гексокиназой. Остаток фосфорной кислоты потом присоединяется на месте 6 атома углерода. Магний активирует действие фермента. По такому же принципу осуществляется преобразование фруктозы и маннозы, а глюкозная реакция отвечает за скорость всего брожения.

2) Потом полученный фосфат подвергается процессам изомеризации за счет фермента глюкозофосфата - изомеразы. Реакция обратима, в результате получаем фруктозо - 6 - фосфат.

3) Полученный элемент поддается воздействию ферментом фосфофруктокпназы. Таким образом, остаток фосфорной кислоты присоединяется на место первого углеродного атома и за счет АТФ получаем новый элемент - фруктозо - 1.6 - дифосфат. Реакция превращения не обратима, а молекула сахара переходит в лабильное состояние оксоформы и становится готовой к дальнейшему воздействию и превращению за счет снижения прочности связи между 3 и 4 атомами углерода.

4) фермент альдолаза запускает процесс распада фруктозы 1.6 дифосфата на две части фосфотриозы - З-фосфоглице­риновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Эта реакция обратима.

5) Процесс изомеризации начинается между полученными фосфотриозами за счет катализа фермента триозофосфатизомеразы.

6) В период индукции до момента образования уксусного альдегида начинается реакция дисмутации между молекулами альдегида. Ее начинает фермент альдегидмутазы в паре с молекулой воды. Одна молекула фосфоглицеринового альдегида восстанавливается в результате и получает фосфоглицерин. Вторая молекула окисляется и образовывает 3 фосфоглицериновую кислоту. Фосфоглицерин не берет участия в дальнейших реакциях и является побочным продуктом брожения с выделением спирта.

Дальнейшее окисление 3 фосфоглицериновую кислоты осуществляется сложным путем. Первым делом, он преобразуется в 1,3-дифосфоглицериновый альдегид, которые присоединяет к себе остатки неорганических фосфорных кислот. Потом, фермент триозофосфатдегидрогеназа действует на полученный альдегид и окисляет его в 1,3-дифосфо-глицсриновую кислоту.

7) фосфотрансфераза берет участие в реакции остатка фосфорной кислоты, в которой осталась макроэргическая связь и передается с 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Энергия, которая освобождается во время окисления альдегида аккумулируется в АТФ.

8) Фермент фосфоглицеромутаза влияет на результат, и кислота поддается изомеризации в 2-фосфоглицериновую кислоту.

9) Как результат, после распределения энергии внутри молекул, 2-фосфоглицериновая кислота преобразуется в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Катализатором реакции выступает энолаза, которая активируется ионами магния. Для того, чтобы максимализировать влияние энолазы необходимо достичь кислотности среды от 5.2 до 5.5 пункта. Другие параметры вызывают агрегацию молекул энолазы.

10) фосфотрансфераза и калий способствуют передаче остатка фосфорной кислоты на АДФ, а энергия от реакции аккумулируется в АТФ.

11) Результат в виде энолпировшюградная кислоты переходит в стабильную кетоформу.

12) Карбоксилаза воздействует на пировиноградной кислоту и отщепляет диоксид углерода, что позволяет преобразоваться уксусному альдегиду.

13) Алкогольдегидрогеназа начинает перенос водорода на уксусный альдегид, что передует образованию нужного этилового спирта, а также регенерирует НАД.

Аэробный распад углеводов

Распад углеводов в аэробных условиях практически такой же как и в анаэробных. Отличием является то, что образование пировиноградной кислоты осуществляется путем ее полного окисления до диоксида углерода и воды в цикле трикарбоновых кислот. Данный цикл подразумевает последовательное протекание окислительных и восстановительных процессов, которые переносят водород на молекулярный кислород, который считается последним акцептором. Перенос возможен благодаря молекулам - переносчикам, которые так же образуют цепь дыхания клеток. Схема реакций химических элементов во время аэробного распада глюкозы изображена ниже.

Катаболизм глюкозы образует две молекулы нужной нам пировиноградной кислоты. В начале всех процессов, первая молекула подвергается декарбоксилированию. Как результат этого процесса получаем активированную уксусную кислоту.

СНз · СО · СООН + КоАSН + НАД — СНз-СО ~ КоАSН + НАД · Н2 + СО2

Вторая молекула кислоты поддается ферменту пируваткарбоксилаза. В следствии, она конденсируется с молекулами диоксида углерода. В результате реакции получаем щавелеуксусную кислоту.

СHз · CO · COOH + CO2 + АТФ ↔ HOOC · CH2 · CO · COOH + АДФ + Ф

Щавелеуксусная кислота может получатся из яблочной кислоты.

Весь цикл трикарбоновых кислот подразумевает начало с реакции конденсации ацетил - КоА вместе с молекулой щавелевоуксусной кислоты или же оксалоацетата. Фермент катализатор в этой реакции - цитратсинтаза. В результате реакции получаем лимонную кислоту, а также кофермент А свободного типа.

Последующие реакции изображены на рисунке - схеме. Один такой оборот молекулы пировиноградной кислоты подразумевает присоединение к ней трех молекул воды и выделение Н2 с молекулами СО_2. Уравнение выглядит следующим образом:

СНз · СО · СООН + ЗН2О — > ЗС0₂ + 10 Н.

В цикле трикарбоновых кислот распадаются не только углеводы. ЦТК также способствует распаду жирных кислот и аминокислот.

Распады анаэробным и аэробным способом доставляют дрожжам необходимо количество энергии, а также обеспечивает нормальный синтез биоэлементов. Например, щавелевоуксусная и а-кетоглутаровая кислота поддается процессу восстановления путем аминирования и переаминирования, что позволяет получить в итоге аспаригиновую и глютаминовую кислоту. В целом, получение аспарагиновой кислоты возможно из фумаровой кислоты. Получение этих кислот занимает важное место во время синтеза белков из углеводов. Для получения нужной биомассы клетки спиртовых дрожжей взаимодействуют и с другими элементами. Например, клетки могут выбрать анаплеротический путь, в частности пентозофосфатный. Эти элементы считаются элементами предками нуклеотидов и соответствующих кислот.

Окисление сахара имеет гораздо большее количество энергии, которая освобождается. Таким образом, в результате реакции есть вероятность получить большее количество метаболитов, которые готовы к дальнейшим реакциям и синтетическим процессам. Из-за этого, скорость роста и размножения клеток дрожжей заметно увеличивается, как и их биомасса.

Количество сахара, которое потребляется во время биосинтетических процессов брожения.

Генерация дрожжей подразумевает сложный процесс, который базируется на определенном количестве сложных тесно связанных химических реакций. Однозначно посчитать сколько питательных веществ будет необходимо для генерации дрожжей невозможно. Поэтому, используются приближенные теоретически практики, которые позволяют расчитать суммарное количество биосинтеза и брожения.

Исходя из исследований, было доказано, что для получения дрожжей из меласы больше всего используется сахара. Для получения готовой товарной продукции теряется примерно 64.6% сахара, с учетом всех потерь во время брожения. На более современных заводах, которые специализируются на определенных методах этот показатель немного ниже.

Во время производства дрожжей сахар израсходуется для того, чтобы получить три продукта, а именно сами дрожжи, спирт и диоксид углерода. Чтобы сахар максимально эффективно использовался все названные продукты необходимо утилизировать. При спиртовом брожении, сахар из меласы практически без потерь расходуется на образование нужных продуктов. Несброженный сахар остается в меласе в районе 2-3%. Потери сахара в таком процессе насчитывают примерно от 7 до 12% от сахара, который был внедрен в процесс. Поэтому, чистый выход спирта колеблется в пределах 88 - 93% от того, который был высчитан теоретическим путем. Количество глицерина, который образовывается от брожения влияет состав питательной среды, а также физические и химические ее показатели.

Количество получаемой биомассы клеток дрожжей, а также ступень их активной жизнедеятельности зависит от направленности процесса брожения. От этого же и зависит расход сахара на образование биомассы. В процессе работы с зрелой брагой для получения хлебопекарных дрожжей стараются получить как можно больше биомассы дрожжей. Сами по себе дрожжи могут повторно направляться на сбраживание, что повышает количество биомассы без ущерба расходам сахара. При использовании дрожжей несколько раз их энергия не уменьшается, а наоборот увеличивается. Интенсивность брожения от этого также увеличивается, за счет большего количества спиртовых дрожжей.

На нормальное дыхание клеток дрожжей во время производства дрожжей используется много сахара. В цифрах, это примерно 6 - 15% от того количества, которое используется в целом. Такой расход не стабильный. Он может зависеть от концентрации сахара в питательной среде, а также скорости насыщения состава кислородом, температуры или других показателей. Исходя из этого, существуют способы повышения количества получаемого спирта во время переработки состава.

Теоретически, исходя из уравнений работы дрожжей в спирт превращается 66.7% углерода из сахара, а в СО2 оставшаяся часть. Поэтому, количество углерода, которое идет на построение биомассы и на дыхание зависит от количества явного сахара в среде обитания.

Повышение концентрации сахара в питательной среде дрожжей влияет на количество получаемой биомассы и уменьшает выход СО2 при дыхании дрожжей. То есть, брожение с таким подходом более экономичное.

Понижение температуры браги уменьшает расходы сахара на дыхание дрожжей, а повышение интенсивности окислительных реакций влияет на меньший выход дрожжей.

Микроорганизмы, живущие с дрожжами

Во время процесса сбраживания крайне важно защищать дрожжи от нежелательных других микроорганизмов, которые могут мешать нормальной работе дрожжей. Это могут быть посторонние бактерии или дикие расы дрожжей, которые попадают в питательную среду случайно с водой, воздухом или другими видами сырья. После попадания в аппараты, в которых происходит сбраживание посторонние микроорганизмы могут накапливаться и в итоге вытеснять нужную культуру дрожжей. К тому же, посторонние бактерии потребляют часть сахара из браги, что в целом снижает количество конечного спирта. Также, они могут синтезировать посторонние органические кислоты, ферменты и другие продукты, которые ведут к захариванию среды, а также снижению свойств дрожжей. Как результат, в браге повышается количество крахмала и несброженного сахар.

Детально о посторонних микроорганизмах

Молочнокислые бактерии

Всего существует несколько видов молочнокислых бактерий, а именно цилиндрические, палочковидные, сферические, шаровидные, грамположительные, неподвижные и неспорообразующие. Молочнокислые бактерии гетероферментативного типа, как и молочная кислота реализуют летучие кислоты, спирт и водород.

Лучше всего молочнокислые бактерии растут при температуре 20 - 30 градусов. Термофильные виды молочнокислых бактерий лучше всего растут при температурах на 20 градусов выше. При этом, как и другие микроорганизмы, молочнокислые бактерии гибнут при температурах от 70 до 75 градусов.

Чаще всего можно встретить такие группы бактерий: Lacto. bacillius plantarum, Lact. breve, Lact. fermentii, Leuconostoc mesenterioides, leuc. agglutinans. Бактерии с видовым названием Leuconostoc mesenterioides обрамлены в слизистую капсулу, которая позволяет им выдерживать высокие температуры и воздействие кислот. В жидкой среде они погибают при температуре от 112 градусов за 20 минут. В растворе серной кислоты могут жить на протяжении часа. Leuc. Agglutinans могут прилипать к дрожжам, а также склеивать их клетки.

Уксусные бактерии

Уксусные бактерии представлены в виде грамотрицательных, палочковидных или бесспоровых особей, которые исключительно аэробные клетки, которые живут в аналогичной дрожжам среде. Уксусные бактерии могут воздействовать как окислитель на спирт и в результате может получится уксусная кислота. Аналогично из пропилового спирта получается пропионовая кислота, из бутилового спирта - масляная. Некоторые виды бактерий, могут воздействовать и на глюкозу производя глюконовую кислоту или ксилозу, производя ксилоновую кислоту. Однако, обычный, этиловый спирт считается главным средством жизнедеятельности таких бактерий. Чаще всего встречаются виды: Acetobacter aceti, Acet. Pasteurianium, Acet. oxydans. Это палочковидные особи до 3 мкм. Иногда, они соединяются в цепочки. Живут в среде от 20 до 35 градусов. Первый вид бактерий может выдерживать концентрацию спирта до 11%. Дрожжи замедляют свой рост и развитие, если количество таких бактерий, а также продуктов их жизнедеятельности становится много.

Маслянокислые бактерии.

Маслянокислые бактерии представлены в виде крупных и подвижных палочек длиной до 10 мкм. Они спорообразующие и исключительно анаэробны. Споры таких бактерий представлены в виде цилиндров или эллипсов. Помимо масляной кислоты при окислении они могут производить уксусную, молочную или капроновую, однако в меньших количествах. Кроме того, возможны производства этилового или бутилового спирта. Такое брожение хорошо распространяется в насосных станциях, трубах или схожих за условиями скрытых местах. Температура для нормальной жизни - от 30 до 40 градусов. Кислотность среды до 4.9 пунктов. В других средах маслянокислые бактерии не развиваются.

Не приемлемо наблюдать маслянокислые бактерии во время производства спирта, поскольку кислота, которую они производят подавляет нормальную работу дрожжей.

Гнилостные бактерии

Гнилостные бактерии - это виды бактерий, которые отвечают за распад белковых веществ. Могут жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. В аэробных условиях они способны полностью минерализировать белок до диоксида углерода. В анаэробных в среде накапливают ядовитые вещества, а также другие органические соединения. Бактерии хорошо двигаются, устойчивы к высоким температурам, а также образуют споры. Нормальный температурный режим колеблется от 36 до 50 градусов Цельсия. К анаэробам можно отнести кишечную палочку и Proteus vulgaris. К аэробам Clostr. Putrificum и Clostr. sporogenes.

Гнилостные бактерии особо негативно влияют на дрожжи хлебопекарных рас. Они значительно сокращают их срок годности. Некоторые гнилостные бактерии могут образовывать нитриты, которые заметно замедляют размножение дрожжей.

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.

Однако, в одном миллилитре такой воды может быть много кислотных бактерий. Поэтому, ее предварительно хлорируют для того, чтобы стабилизировать количество микроорганизмов. Используется при этом гипохлорит натрия, хлорная известь или гипохлорит кальция. На один литр такой воды необходимо до 40 мг активного хлора. После обеззараживания вода может применяться для технологических целей. Иногда можно применять дихлорантин. Этот препарат не токсичен и содержит практически 70% активного хлора. Он легко растворяется в спирте, а также хлорированных углеродах, при этом плохо растворяется в воде. Если активный хлор в воде остается на уровне до 20 мг\л спорообразующие бактерии не погибают. Таким образом, спирта в результате получается даже больше за счет улучшенного спиртового брожения.

Воздух также поддается очистке, поскольку с ним в состав попадает огромное количество микроорганизмов, которые негативно сказываются на производстве спирта и на свойствах хлебопекарных дрожжей. Цехи с кормовыми дрожжами на заводах также очищают. В воздухе обитают бактерии таких типов: Вас. Mesentericus, Вас. mycoides, Вас. megatherium, Вас. subtilis, бактерии рода Pseudomonas, сарцины (Sarcina lutea), споры плесневых грибов рода Pennicilium и Aspergillus, дрожжеподобные грибы рода Candida. Иногда встречаются молочнокислые бактерии.

Очищение происходит за счет втягивания воздуходувками воздуха из мест, которые дальше всего от земли (иногда даже выше крыши завода). После этого, на них устанавливают масляные фильтры, которые проводят первичную очистку. Мокровоздушные насосы требуют установки фильтров на всасывающих воздуховодах. Турбовоздуходувки требуют установки фильтров на нагнетательных линиях.

Часто применяют фильтры «Лаик». В качестве фильтрующего материала выступают ткань гидрофобная. Воздух с таким фильтром может очищаться на протяжении 3 месяцев без потребности в замене ткани. Чистота воздуха сохраняется в пределах 97 - 99%. Встречаются фильтры, которые в качестве фильтрующего материала используют стекловату.

Естественно - Чистая культура дрожжей.

Естественно - чистая культура - это дрожжи, которые поддаются выращиванию в оптимальных условиях, при которых умеренно подаются посторонние микроорганизмы с подавлением развития.

Температура роста добавленных микроорганизмов и дрожжей практически одинаковая. Она также сбегается с температурой нормального спиртового брожения, а потому среда регулируется за счет серной или молочной кислоты путем изменения рН среды. Конечно, рН не такой приятный для активного размножения дрожжей, однако такой подход позволяет получить микробиологически чистую культуру.