Теоретические основы технологии бродильных производств

Вводная лекция

1. Теоретические основы технологии бродильных производств.

2. Взаимоотношения микроорганизмов.

3. Производственная инфекция и дезинфекция.

4. Ферменты микроорганизмов и зерновых культур.

5. Ферментативный гидролиз крахмала и белков.

 

Технология – наука, изучающая способы и процессы переработки сырья в готовую продукцию. Слово «технология» состоит из двух греческих слов: «технос» – искусство, производство и «логос» – наука. Дословно «технология» – это наука о производстве.

Технология продуктов брожения изучает способы и процессы переработки различных видов сырья в продукты брожения.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами, в новые вещества.

Известны различные виды брожения. Обычно они называются по конечным продуктам, образующимся в процесс брожения. Наибольшее применение в промышленности находят спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, лимоннокислое и ацетонобутиловое брожение.

Производства, основанные на брожении, связаны общностью применяемого сырья и характером технологических процессов.

В бродильных производствах используют различные микроорганизмы: дрожжи, бактерии, микроскопические грибы.

Для производства этанола, вина, пива и хлебопекарных дрожжей используют дрожжи. Бактерии применяют в производстве ацетона, бутанола, молочной, уксусной и масляной кислот. Микроскопические грибы используют при получении лимонной и глюконовой кислот. Производство кваса основано на совместном применении дрожжей и молочнокислых бактерий.

К бродильной промышленности относятся также производства ликероводочных и безалкогольных напитков, так как они применяют этанол и технологическое оборудование, используемые в бродильном производстве.

Наиболее древними отраслями бродильных производств являются виноделие и пивоварение. В Египте виноделие появилось еще за 8 – 10 тыс. лет до н. э. В Вавилоне варили пиво за 7 тыс. лет до н. э.

Современные заводы бродильной промышленности – это высокомехенизированные предприятия с интенсифицированными и непрерывными технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование технологии и техники бродильных производств направлено на расширение ассортимента, повышение качества и выхода выпускаемой продукции, полное и более рациональное использование перерабатываемого сырья, снижение тепло- и энергозатрат, улучшение экологии и обеспечение высоких технико-экономических показателей работы предприятий.

 

 

Теоретические основы технологии бродильных производств

Бродильные производства основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов. Для каждого вида брожения подбирается определенная культура микроорганизма и создаются условия, обеспечивающие ограничения или полное исключение развития посторонней микрофлоры. Чтобы управлять микробиологическим процессом, необходимо знать физиологию применяемых культур микроорганизмов, т.е. процессы, протекающие в клетке, условия культивирования и влияние основных факторов окружающей среды на направленный биосинтез.

 

Таблица № 1– Типы моющих средств

Моющие средства	Характеристика загрязнений	Участки мойки	Механизм действия
Высоко-щелочные (каустическая сода)	Белок, жир, пригоревшие органические остатки	Нагревательные установки, например, пастеризаторы	Гидролиз белка, омыление жиров, коагуляция белков
Слабощелочные (каустическая сода NaOH, едкий калий KOH, сода Na2CO3, поташ K2CO3); с добавлением ПАВ и комплексообразователей	Засохшие органические остатки	Общая мойка баков и трубопроводов; общая производственная мойка	Растворение белков, омыление жиров
Нейтральные (фосфаты, силикаты); Высококонцентрированные ПАВ, диспергаторы	Белковые и жировые загрязнения; отложения солей жесткости	Ручная мойка	Растворение белков, омыление жиров
Кислотные (фосфорная и азотная кислоты)	Неорганические отложения, малозагрязненные поверхности	Удаление котлового и пивного камня, мойка CIP	Переход нерастворимых солей в растворимые соединения
Комбинированные, обладающие моющим и дезинфицирующим эффектом	Слабозасохшие остатки грязи	Трубопроводы, баки и др. поверхности	Комбинированное действие щелочей и окислителей (активный кислород или активный хлор)
Комплексообразователи: нитрилотриуксусная кислота, этилендиаминтетроуксусная кислота, глюконовая кислота, поликарбонаты, фосфаты, тензиды (ПАВ)		Мойка CIP, мойка бутылок	Добавляются для усиления моющего эффекта. Комплексообразователи – для щелочных средств, ПАВ. Для кислотных средств – это диспергаторы и ингибиторы коррозии

 

Структура ферментов

Химическая природа ферментов. Ферменты – высокомолекулярные белковые соединения.

Ферменты могут быть как простыми – однокомпонентными, так и сложными – двухкомпонентными. Первые построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты; вторые состоят их белковой части – апофермента и небелковой части – кофактора. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент, они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. Роль кофактора выполняют какой-либо ион или органическое соединение. В молекулу апофермента чаще всего входят двухвалентные ионы, например Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, реже – одновалентные K⁺ и Na⁺. К органическим кофакторам принадлежит примерно десяток соединений различной структуры. Большая часть их образуется из витаминов или представляет собой витамины, а также нуклеотиды.

Активный центр ферментов. Ферментативный катализ происходит на расстоянии длины химической связи, поэтому вполне понятно, что акт катализа должен совершаться на определенном участке белковой молекулы. Это локальный участок и носит название активный центр фермента. В однокомпонентных ферментах центр образуется в результате определенной ориентации аминокислотных остатков полипептидной цепи. Обычно в формировании этого центра принимает участие небольшое количество аминокислот, порядка 12 – 16. функциональные группы этих аминокислот могут принадлежать звеньям полипептидной цепи, весьма удаленным друг от друга. Их сближение связано с формированием третичной структуры фермента.

В двухкомпонентных ферментах активный центр представляет собой комплекс кофактора и некоторых примыкающих к нему аминокислотных остатков. Ион металла может либо находиться в активном центре апофермента и быть непосредственно связанным с какой-либо функциональной группой аминокислотного остатка, либо входить в состав более крупной молекулы кофактора (например, гена в цитохромах). В первом случае он способствует формированию каталитически активной конформации апофермента: во втором – служит мостиком между апоферментом и органической молекулой кофактора.

В активном центре различают контактный (якорный) участок, функция которого связывать, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата в продукты реакции после его связывания контактным участком. В формировании контактного и каталитического участков активного центра ферментов принимают участие следующие функциональные группы: СООН-группы дикарбонатных аминокислот или концевые группы полипептидной цепи; имидозольная группа гистидина; ОН-группа серина; NH-группа лизина и концевые группы полипептидной цепи; фенольная группа тирозина и гидрофобные остатки алифатических аминокислот.

Субстратная специфичность действия ферментов. Важным свойством ферментов является способность избирательно действовать на субстрат, определять путь его превращения. Это свойство получило название субстратная специфичность ферментов.

По признаку специфичности действия все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, и ферменты, обладающие относительной. Абсолютная специфичность появляется тогда, когда фермент действует лишь на одно-единственное вещество и катализирует только определенное превращение этого вещества.

Ферменты, обладающие относительной специфичностью, действуют сразу на несколько субстратов, имеющих ряд общих структурных свойств. Для этих ферментов важны тип связи и химическая структура лишь одного из компонентов, образующих эту связь, тогда как структура другого компонента может измениться.

Следствием различных механизмов связывания субстратов с ферментами могут являться также разные продукты химической реакции. Типичным примером этому могут быть амилазы, гидролизующие крахмал. Действуя на один и тот же субстрат, они образуют различные продукты гидролиза: глюкомилаза – глюкозу; β-амилаза – мальтозу; α-амилаза – декстрины. Теория индуцированного соответствия в сочетании с гипотезой активной полости дает вполне удовлетворительное объяснение такой особенности специфичности катализа. Образование глюкозы при гидролизе крахмала глюкоамилазой можно объяснить возникновением в глобуле фермента активной полости, способной вместить в себя лишь один глюкозидный остаток. Аналогичную картину представляет гидролиз крахмала β-амилазой с той лишь разницей, что в глобуле возникает полость в размерах, необходимых для вмещения двух глюкозидных остатков. Важной контактной группой для обеих амилаз является R-группа, способная связываться с нередуцирующим концом молекулы крахмала.

Однако глюкоамилаза осуществляет полный гидролиз крахмала, расщепляя как α-1,4-, так и α-1,6-глюкозидные связи, в то время как a-амилаза и β-амилаза действуют лишь на α-1,4 глюкозидные связи.

Протеолитические ферменты трипсин, химотрипсин и эластаза расщепляют в белках пептидные связи. Однако действие каждого из них строго специфично: трипсин гидролизует пептидные связи, образованные лизином или аргинином; химотрипсин расщепляет полипептидную цепь по фенилаланину, триптофану и тирозину; специфичность эластазы проявляется в ее действии на такие небольшие гидрофобные молекулы, как аланин. Установление структуры кристаллических ферментов показало, что полипептидные основы трех ферментов при наложении друг на друга практически совмещаются. Разница же в специфичности этих ферментов обусловлена небольшими изменениями в строении «кармана», связывающего боковую цепь аминокислоты.

Субстратная специфичность – уникальная особенность ферментов. Она является основой направления биохимических процессов живой клетки в строго определенное русло; без нее немыслима стройная гармония обмена веществ в организме.

Специфичность действия ферментов имеет и большое прикладное значение. Она позволяет получить целевой продукт высокой степени чистоты и с высоким выходом. Она может быть широко использована в методах количественного определения того или иного химического соединения.

 

Таблица 2 – Классификация ферментов, разработанная Комиссией

Вводная лекция

1. Теоретические основы технологии бродильных производств.

2. Взаимоотношения микроорганизмов.

3. Производственная инфекция и дезинфекция.

4. Ферменты микроорганизмов и зерновых культур.

5. Ферментативный гидролиз крахмала и белков.

 

Технология – наука, изучающая способы и процессы переработки сырья в готовую продукцию. Слово «технология» состоит из двух греческих слов: «технос» – искусство, производство и «логос» – наука. Дословно «технология» – это наука о производстве.

Технология продуктов брожения изучает способы и процессы переработки различных видов сырья в продукты брожения.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами, в новые вещества.

Известны различные виды брожения. Обычно они называются по конечным продуктам, образующимся в процесс брожения. Наибольшее применение в промышленности находят спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, лимоннокислое и ацетонобутиловое брожение.

Производства, основанные на брожении, связаны общностью применяемого сырья и характером технологических процессов.

В бродильных производствах используют различные микроорганизмы: дрожжи, бактерии, микроскопические грибы.

Для производства этанола, вина, пива и хлебопекарных дрожжей используют дрожжи. Бактерии применяют в производстве ацетона, бутанола, молочной, уксусной и масляной кислот. Микроскопические грибы используют при получении лимонной и глюконовой кислот. Производство кваса основано на совместном применении дрожжей и молочнокислых бактерий.

К бродильной промышленности относятся также производства ликероводочных и безалкогольных напитков, так как они применяют этанол и технологическое оборудование, используемые в бродильном производстве.

Наиболее древними отраслями бродильных производств являются виноделие и пивоварение. В Египте виноделие появилось еще за 8 – 10 тыс. лет до н. э. В Вавилоне варили пиво за 7 тыс. лет до н. э.

Современные заводы бродильной промышленности – это высокомехенизированные предприятия с интенсифицированными и непрерывными технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование технологии и техники бродильных производств направлено на расширение ассортимента, повышение качества и выхода выпускаемой продукции, полное и более рациональное использование перерабатываемого сырья, снижение тепло- и энергозатрат, улучшение экологии и обеспечение высоких технико-экономических показателей работы предприятий.

 

 

Теоретические основы технологии бродильных производств

Бродильные производства основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов. Для каждого вида брожения подбирается определенная культура микроорганизма и создаются условия, обеспечивающие ограничения или полное исключение развития посторонней микрофлоры. Чтобы управлять микробиологическим процессом, необходимо знать физиологию применяемых культур микроорганизмов, т.е. процессы, протекающие в клетке, условия культивирования и влияние основных факторов окружающей среды на направленный биосинтез.