Бродильное производство

Задание №1. Влияние на жизнедеятельность микроорганизмов окислительно-восстановительного потенциала.

       Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), называемый также редокс-потенциал (от английского RedOx - Reduction/Oxidation), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов.  
       К химическим факторам, которые влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся: рН среды, окислительно-восстановительный потенциал (гН₂) и присутствие в среде токсичных веществ. 
рН среды - выражает степень кислотности или щелочности среды. Колебания рН могут вызвать изменение активности ферментов, нарушение обмена веществ. Например, в кислой среде дрожжи образуют этиловый спирт, в щелочной - глицерин. 
       Для каждой группы микроорганизмов существуют свои пределы максимума, минимума и оптимума значений рН. Для дрожжей, молочнокислых и уксуснокислых бактерий наиболее благоприятна слабокислая среда (рН 3-6). 
      Окислительно-восстановительные условия среды. Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет наличие кислорода. Для некоторых микроорганизмов он жизненно необходим, для других является ядом, для определенных видом микроорганизмов наличие кислорода или его отсутствие не имеет существенное значение.  
       Микроорганизмы, которые живут только в присутствии кислорода и получают энергию за счет дыхания, называются облигатные аэробы.  
       Микроорганизмы, которые живут за счет окислительно-восстановительных процессов без участия кислорода воздуха, называются облигатные анаэробы. 
       Микроорганизмы, которые могут жить как при доступе, так и в отсутствие кислорода, называются факультативные анаэробы. 
       Для микроорганизмов существенное значение имеет также окислительно-восстановительный потенциал, который выражается редокс-потенциалом (гН₂) - отрицательным логарифмом концентрации молекулярного водорода, который характеризует степень окисленности (аэробности) или восстановленности (анаэробности) среды. гН₂ находится в пределах от 0 до 41. В водном растворе, насыщенном кислородом, гН₂ равен 41, а в условиях насыщения водородом гН₂ равен 0.  
       Для облигатных аэробов гН₂ находится в пределах 14-30, для облигатных анаэробов гН₂ ^__ 0-14, для факультативных анаэробов гН₂ от 0 до 20.     

      Значение окислительно-восстановительного потенциала для каждой окислительно-восстановительной реакции вычисляется по довольно сложной формуле, выражается в милливольтах и может иметь как положительное, так и отрицательное значение. В природной воде значение Eh колеблется от - 400 до + 700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды.

       Подавляющее большинство бактерий предпочитает нейтральную среду и не может существовать при рН ниже 4 и выше 9. Но отдельные виды бактерий способны нормально развиваться в кислых и щелочных средах. Так, Pseudomonas radiobacter растет в средах при рН 10, холерный вибрион также предпочитает щелочные среды: он нормально развивается и лучше сохраняется при рН 9. 
Бактерия, участвующая в круговороте серы,— Thiobacillus thiooxydans—напротив, устойчива к кислой реакции среды, для нее оптимальное значение рН 2—4. 
        Кислую реакцию среды хорошо переносят многие низшие грибы и дрожжи. Они хорошо растут при рН 4—5. При этом следует иметь в виду, что некоторые грибы хорошо растут и при рН 8—10. 
Для некоторых организмов способность жить при низких значениях рН служит приспособлением для защиты от конкуренции других бактерий. Это относится, например, к уксуснокислым бактериям. Другие группы микроорганизмов, выделяющие кислые продукты в среду, сами угнетаются чрезмерным подкислением, в результате чего их рост прекращается. 
       Изменение реакции среды может служить хорошим примером активного воздействия микроорганизмов на среду обитания. Многие организмы способны до некоторой степени менять свой обмен так, чтобы нейтрализовать продукты, вредно отражающиеся на их жизнедеятельности.    Так, многие бактерии, получающие энергию в процессах брожения, при накоплении в среде кислых продуктов—органических кислот—переходят к синтезу нейтральных продуктов—спиртов. 
        В живых системах, в том числе в культурах микроорганизмов, постоянно идут окислительно-восстановительные реакции. При этом одно вещество, теряя электроны, приобретает положительный заряд и окисляется, а другое, приобретая электроны, заряжается отрицательно и восстанавливается. Между ними возникает разность электрических потенциалов, называемая окислительно-восстановительным потенциалом, или редоксипотенциалом. Редоксипотенциал обычно измеряется милливольтами и обозначается Eh. 
       Соотношение окисленной и восстановленной форм для каждого компонента среды при определенном значении Eh одинаково, и поэтому об окислительно-восстановительном потенциале для всей среды можно судить по соотношению в ней окисленной и восстановленной формы одного из компонентов. Для этого обычно пользуются соотношением в среде ионов и молекул водорода. Концентрация ионов водорода в среде характеризуется величиной рН, а концентрация молекул водорода—величиной гН₂, которая представляет собой отрицательный логарифм молекулярного давления газа. Чем больше величина rH₂, тем больше окислительная способность среды и, наоборот, чем выше восстановительная способность среды, тем меньше rH₂. Таким образом, окислительно-восстановительные свойства среды можно характеризовать как величиной редоксииотенциала Eh, так и единицами гН₂. 
Eh, rH₂ и рН связаны между собой зависимостью 
 
 
       Величина гН₂ изменяется в пределах от 0 до 41. При полном насыщении среды кислородом она равна 41. Это соответствует концентрации кислорода 40 мг/л. При полном насыщении жидкости водородом ее гН₂=0. 
Насыщенность среды кислородом—один из самых важных факторов, влияющих на рост и развитие микроорганизмов. Недостаток кислорода в среде часто служит причиной угнетения роста микроорганизмов. В то же время избыток кислорода (гН₂>30) губительно действует на все микробные клетки. Питательные среды для выращивания аэробных микроорганизмов обычно имеют Eh от 0,2 до 0,4В при нейтральном значении рН. В процессе роста аэробов редоксипотенциал снижается до 0, а иногда и до отрицательных значений. 
       Анаэробные микроорганизмы обычно не развиваются при Eh выше 0,2 В, но, добавляя в питательную среду вещества, снижающие окислительно-восстановительный потенциал, можно добиться выращивания анаэробов в присутствии кислорода. 
       Губительное действие кислорода на анаэробные микроорганизмы, по-видимому, связано с отсутствием у анаэробов ферментов каталаз, расщепляющих перекись водорода, которая образуется в процессе переноса водорода на молекулярный кислород.

Задание №2. Виды зерновых культур, их характеристика.

       Зерновые культуры— важнейшая в хозяйственной деятельности человека группа возделываемых растений, дающих зерно, основной продукт питания человека, сырьё для многих отраслей промышленности и корма для сельскохозяйственных животных. Возделываемые в современном мире зерновые культуры относятся к четырём ботаническим семействам: Злаки, Гречишные, Амарантовые — хлебные зерновые культуры; кроме того, выделяют зернобобовые культуры, принадлежащие к семейству Бобовые.

       Зерновые культуры подразделяются на хлебные и зернобобовые. Большинство хлебных зерновых культур (пшеница, рожь, рис, овёс, ячмень, кукуруза, сорго, просо, чумиза, могар, пайза, дагусса и другие) принадлежит к ботаническому семейству Злаки; гречиха — к семейству Гречишные; мучнистый амарант — к семейству Амарантовые. Зерно хлебных зерновых культур содержит много углеводов (60—80 % на сухое вещество), белков (7—20 % на сухое вещество), ферменты, витамины группы B (B₁, B₂, B₆), PP и провитамин А, чем и определяется высокая питательность его для человека и ценность для кормового использования.

Средний химический состав основных видов зерна (г/100 г зерна)

Задание №3. Влияние температуры на рост и размножение микроорганизмов.

        Организмы подразделяются на термо-, мезо- и психрофилы в зависимости от их отношения к температурам.. Термофилы являются бактериями, которые развиваются при температурах 50 – 75 °С. Мезофилы – это самая распространенная группа бактерий, которые развиваются при температурах 20 – 40 °С, при других же температурах они развиваются плохо. Психрофилы отличаются способностью развиваться при относительно низких температурах (–8 ¸ +10 °С). Психрофилы бывают факультативными, температурный оптимум развития которых приближается к температурному оптимуму развития мезофил, и облигатные, которые способны размножаться только при низких температурах. Этот вид микроорганизмов широко культивируется на охлажденных и замороженных пищевых продуктах, а также находится в воздухе холодильных камер.

       Необходимо различать способность микроорганизмов переносить ту или иную температуру, расти и размножаться, чтобы достигнуть наиболее рационального применения низких температур. Рост и размножение микроорганизмов по-разному зависят от температуры. Например, Е. coli перестает делиться при 7,3 °С, но в это же время они продолжают расти. Ряд факторов, как наследственность, окружающие условия и др. оказывают существенное влияние на скорость размножения микроорганизмов. Температура же является только одним из факторов окружающей среды. На рис. 1 нанесены восемь фаз роста и показана зависимость log числа клеток от продолжительности роста.

        Необходимо детально изучить изменение различных фаз популяций микроорганизмов, ведь это имеет большое практическое значение. Например, если количество исходных клеток микроорганизмов велико, фазы a и в сокращаются, т. е. при большей исходной обсемененности пищевого продукта скорее наступает лаг-фаза.

        Молодые клетки преобладают над зрелыми в логарифмической фазе роста популяции микроорганизмов. При этом они куда более чувствительны к действию различных неблагоприятных для их развития факторов, чем зрелые и покоящиеся.

       Влияние температур на каждую из восьми фаз специфично: воздействие на реакции внутри клеток и на активность воды и ионов, вязкость и рН внутриклеточной жидкости, гидратацию и агрегацию макромолекул, растворимость газов (особенно кислорода и углекислого газа) и др. Наиболее же значительное влияние температура оказывает на характер логарифмической фазы роста микроорганизмов и продолжительность лаг-фазы. При этом с понижением температуры увеличивается пологость участков логарифмической фазы и длительность лаг-фазы.

       Продолжительность лаг-фазы определяется температурой, при которой микроорганизмы пребывали до начала холодильного хранения пищевого продукта. Если до этого микроорганизмы развивались при повышенных температурах, то в условиях пониженных температур лаг-фаза увеличивается даже у психрофилов. Логарифмическая фаза роста быстро наступает при условии, что размножение бактерий происходило при низких температурах, и при условии, что бактерии попадали на продукт с низкой температурой в активном состоянии. Микроорганизмы, которые развиваются при низких температурах, при попадании на продукт с более высокой температурой сразу переходят в логарифмическую фазу.

       Температурный коэффициент Q₁₀ характеризует зависимость скорости роста микроорганизмов от температур. Он равен отношению скорости роста при температуре t к скорости роста при температуре (t – 10). Обычно этот коэффициент равен 2 – 3. Однако при некоторых условиях величина Q₁₀ может возрастать до 7 – 8. Большое значение температурного коэффициента при низких температурах характеризует небольшое отклонение температуры, которое может ускорить или задержать размножение микроорганизмов и тем самым оказать влияние на качество продукции.

        На рис. 2 показана зависимость роста колоний плесневых грибов Thamnidium elegans от различных температур. Особо следует отметить, что при температуре –5 °С рост колоний проходит относительно быстро, в то время как при понижении температуры до –8 °С задерживается начало роста и колонии медленно развиваются.

Задание №4. Требования, предъявляемые к зерновому сырью в производстве спирта.

       Этиловый спирт - основной продукт, находящий широкое применение в пищевой, микробиологической, медицинской и других отраслях промышленности.

       В пищевой промышленности спирт используют при изготовлении ликерно-водочных изделий, плодово-ягодных вин, пищевых ароматизаторов и т.д.

       Отечественная спиртовая промышленность до 1917 г. была представлена мелкими заводами мощностью около 22 тыс. дал спирта в год. Советский период характеризуется появлением крупных предприятий с мощностью 6000 - 12000 дал в сутки. В 1980 г. в СССР действовало около 400 крупных заводов, а производство спирта составило 200 млн. дал. Далее производство спирта неуклонно снижалось, особенно в периоды перестройки и экономических кризисов. Также снижение производство обуславливалось ужесточением отраслевого законодательства, увеличением стоимости лицензий, установлением минимальных порогов по уставному капиталу для производителей спирта, введением требования о полной переработке отходов спиртового производства. Но главной причиной снижения является большой теневой оборот спирта, делающий легальное производство менее рентабельным.

        На данный момент в России действуют 126 предприятия, а суммарное производство пищевого спирта составляет около 42 млн. дал в год.

        Технология производства спирта относится к биотехнологии, так как производство связано с использованием катализаторов (ферментов), имеющих биологическое происхождение. При должном подходе производство спирта является безопасным и безотходным: в производстве кроме спирта получают диоксид углерода, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла.

       Характеристика зернового сырья. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и непригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречиху вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококачественное зерно.

        Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза (Zea mays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур.

       В России кукурузу возделывают на Северном Кавказе, Нижней Волге, в Воронежской и Курской областях.

        В зависимости от формы зерна и степени развитости роговидной части эндосперма кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, лопающаяся, сахарная, чешуйчатая.         Для производства спирта предпочтительнее легко развариваемая крахмалистая и зубовидная кукуруза.

       Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hordeum) и овес (Avena) широко возделыва-ются в России: рожь (преимущественно озимая) - в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Сибири и Урала; пшеница - в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес - повсеместно - от субтропиков до Заполярья.

        В небольших количествах перерабатывают крупяные культуры - просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).

       Зерновые культуры  на спир могут перерабатываться и в дефектном виде.Различают 4 степени дефектов зерна:

1)Зерно с солодовым запахом,подвергшееся самосогреванию.

2)Зерно с плесневелым запахом.

3)Зерно с гнилостно0затхлым запахом.

4)Зерно с изменившимися почерневшими  оболочками.

Задание №5. Характеристика протеолитических ферментов. Гидролиз белков и требования к нему в производстве спирта и пива.

       Протеолитические ферменты(протеазы), ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз (протео-лиз) пептидных связей. Место расщепления пептидной связи в полипептидной цепи определяется позиционной и субстратной специфичностью фермента и пространств. структурой гидролизуемого субстрата (белка или пептида).

       Различают экзопептидазы, расщепляющие связи вблизи С- или N-конца цепи (соотв. карбоксипептидазы и аминопеп-тидазы)и эндопептидазы (протеиназы), гидролизующие связи, удаленные от концевых остатков (напр., трипсин). Лишь ограниченное число протеолитических ферментов обладает строгой субстратной специфичностью. К ним относят, напр., ренин, гидроли-зующий связь между остатками лейцина в положениях 10 и 11 в ангиотензиногене (предшественник ангиотензина пептида, участвующего в регуляции кровяного давления), или энтеропептидазу отщепляющую N-концевой гексапептид в трипсиногене (предшественник трипсина).   Специфичность большинства протеолитических ферментов определяется в осн. структурой аминокислотного остатка, расположенного рядом с расщепляемой связью. Ферменты трипсинового типа катализируют гидролиз связей, образованных карбоксильной группой основных аминокислот (остатками лизина и аргинина). Для мн. ферментов (химотрипсин, пепсин, субтилизины и др.) важно наличие вблизи расщепляемой связи объемистых гидрофобных остатков (фенилаланина, тирозина, триптофана и лейцина). Протеолитические ферменты типа эластазы (фермент поджелудочной железы) гидролизуют связи, образованные аминокислотными остатками с небольшой боковой группой (напр., остатками аланина и серина). Место расщепления зависит от расположения пептидной связи в пространств. структуре субстрата-легче всего гидролизуются связи на р-изгибах цепи, к-рые расположены на пов-сти молекулы. Углеводные цепи в гликопротеинах могут препятствовать доступу фермента к данной связи.

        Многие протеолитические ферменты прочно ассоциированы с клеточными мембранами и поэтому действуют только на определенные белки (т. наз. компартментализация). К ним относят, напр., сигнальные протеазы, участвующие в транспорте белков во внеклеточное пространство. В зависимости от локализации фермента протеолиз происходит при разл. рН. Так, протеолитические ферменты желудка (напр., пепсин, гастриксин) функционируют при рН 1,5-2, лизосомные ферменты-при рН 4-5, а протеолитические ферменты сыворотки крови, тонкого кишечника и др.-при нейтральных или слабощелочных значениях рН. Нек-рые протеолитические ферменты используют в качестве кофактора ионы металлов-Са²⁺, Mg²⁺ и др.

Дефектные и чужеродные белки деградируют в клетке при участии АТФ-зависимой системы протеолиза. У эукариот (все организмы, кроме бактерий и синезеленых водорослей) эта система включает низкомол. белок убикитин, образующий с белками-субстратами конъюгат, и протеазы, расщепляющие этот конъюгат.

       Протеолитические ферменты играют важную роль во мн. процессах, происходящих в организме, напр. при оплодотворении, биосинтезе белка, свертывании крови и фибринолизе, иммунном ответе (активации системы комплемента), гормональной регуляции. Во мн. этих случаях фермент расщепляет в субстрате лишь одну или неск. связей (ограниченный протеолиз). Активность протеолитических ферментов регулируется на посттрансляц. стадии путем активации их неактивных предшественников (зи-могенов), а также действием прир. ингибиторов ферментов (a₂-макроглобулина, a₁антитрипсина, секреторного панк-реатич. ингибитора и др.). Нарушения механизмов регуляции активности протеолитических ферментов-причина мн. тяжелых заболеваний (мышечной дистрофии, аутоиммунных заболеваний, эмфиземы легких, панкреатитов и др.).

       Протеолитические ферменты применяют в медицине, напр. для коррекции нарушений пищеварения, заживления ран и ожогов и др. Их также используют для получения смесей аминокислот, применяемых для парэнтерального питания, в произ-ве гормональных препаратов и нек-рых антибиотиков, в пищ. и кожевенной пром-сти, произ-ве моющих ср-в.

        Гидролиз белков  осуществляют протеолитические ферменты. Большое разнообразие протеолитических ферментов связано со специфичностью их воздействия на белок. Место приложения или действия протеолитического фермента связано со структурой радикалов, находящихся рядом с пептидной связью. Пепсин расщепляет связь между фенилаланином и тирозином, глутаминовой кислотой и цистином (метионином, глицином), между валином и лейцином. Трипсин расщепляет связь между аргинином (лизином) и другими аминокислотами. Химотрипсин – между ароматическими аминокислотами (триптофан, тирозин, фенилаланин) и метионином. Аминопептидазы действуют со стороны N – концевой аминокислоты, карбоксипептидазы со стороны С – концевой аминокислоты. Эндопептидазы разрушают белок внутри молекулы, экзопептидазы – действуют с конца молекулы. Для полного гидролиза белковой молекулы необходим набор большого количества различных протеолитических ферментов. Гидролиз белка можно представить в виде схемы: 
белки   →    альбумозы   →   полипептиды   →   пептиды   →    дипептиды   →

Аминокислоты.

Задание №6.Применение ферментных препаратов  в производстве вин.

       Технология виноделия основана на регуляции процессов, катализируемых ферментами сырья, его микрофлоры, культурных штаммов дрожжей и бактерий — возбудителей брожения. Наряду с этим используются промышленные препараты гидролитических ферментов различной специфичности. Обработку ферментными препаратами проводят на стадиях получения сока, подготовки сусла к брожению, стабилизации вин. Способ применения ферментных препаратов определяется качеством сырья и видом вырабатываемой продукции. 
      При выделении сока используют целые грозди винограда или ягоды без гребней. Массовая доля мякоти и сока составляет 75-85 %, кожицы 13-20 %, семян 3-6 %, гребней 2-7 %. Основное препятствие к выделению сока — водоудерживающая способность сырья и вязкость жидкой фазы, связанная с наличием полисахаридов — нейтральных и кислых (пектиновых веществ). В сусле-самотеке содержание полисахаридов составляет 0,4-1,2 г/л, в прессовых фракциях 1,0-8,5 г/л. Концентрация пектина в соке 0,1-0,8 г/л, в мускатных сортах — 3-4 г/л. 
       Выход сока и скорость фильтрации определяются, в основном, степенью расщепления наиболее гидрофильного полимерного компонента — пектина. В виноградных ягодах присутствуют протопектин (компонент межклеточников и клеточных стенок), растворимый пектин клеточного сока и промежуточные формы трансформации протопектина в растворимый пектин. Расщепление пектиновых веществ винограда катализируют присутствующие в ягодах пектинэстераза, полиметилгалактуроназа, полигалактуроназа, пектинтрансэлиминазы, ферменты гидролиза нейтральных полисахаридов пектина. 
       При разрушении ягод в процессе получения сока протопектин приходит в соприкосновение с растворимыми формами пектинрасщепляющих ферментов. Это ускоряет естественный процесс деградации пектиновых веществ, имеющий место при созревании ягод. При относительно невысоком содержании пектина он может быть расщеплен ферментами сырья. При обработке ягод с высоким содержанием пектина (американских сортов), недостаточно зрелых ягод с повышенным содержанием протопектиновой фракции применяют обработку пектолитическими ферментными препаратами.

      Ферментные препараты, высокоактивные катализаторы различных биохимических процессов. Различают ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. По объему и ассортименту среди выпускаемых ферментных препаратов доминируют препараты, полученные путем микробиологического синтеза. Технология их производства основана на культивировании специально отобранных штаммов микроорганизмов — активных продуцентов ферментов, с последующим выделением препаратов. Наименование ферментных препаратов складывается из сокращенного названия основного фермента и видового названия продуцента. Препараты, полученные при поверхностном способе культивирования, имеют индекс П, при глубинном — Г. Индексом х обозначают степень концентрирования и очистки препарата в процессе выделения. Для интенсификации технологический процессов виноделия ферментная промышленность предлагает ряд комплексных препаратов грибного происхождения, различающихся по величине активности и соотношению гидролитических ферментных систем, оказывающих многообразное действие на высокомолекулярные вещества винограда и вина. При получении ординарных вин всех типов широкое применение получили пектолитические ферментные препараты — Пектаваморин П 10х и Г 10х, а также Пектофоетидин П 10х и Г 10х.