Химизм сбраживания квасного сусла

Реферат

Химизм сбраживания квасного сусла

В отличие от сбраживания пивного сусла, которое длится несколько суток, брожение квасного сусла продолжается от 8 до 16 ч, иногда несколько дольше.

В квасном сусле для кваса хлебного концентрацией 3,2 % сухих веществ содержится 2,6 % редуцирующих веществ, из них 1,25 % приходится на сахарозу, которую вносят на брожение в виде сахарного сиропа. Остальные редуцирующие вещества принадлежат концентрату квасного сусла, основным сбраживаемым углеводом которого является мальтоза.

Сахароза быстро гидролизуется с участием фермента дрожжей инвертазы (бета-фруктофуранозидазы) до глюкозы и фруктозы, которые сбраживаются дрожжами в первую очередь и служат питанием для молочнокислых бактерий.

Дрожжи начинают усваивать мальтозу, когда в сусле практически не остаётся глюкозы. Мальтоза переносится в клетку с участием мальтозопермеазы и гидролизуется с участием альфа-глюкозидазы до двух молекул глюкозы, которая сразу же фосфорилируется и затем сбраживается.

Поскольку технологией кваса предусмотрено сбраживание сусла на 1%, то сбраживается в основном глюкоза и лишь в конце брожения начинается усвоение мальтозы.

Температура сбраживания квасного сусла 300С оптимальна для жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, которые осуществляют, соответственно, спиртовое и гетерогенное молочнокислое брожение.

В квасном сусле весьма невелико содержание аминного азота (2,5…3,0) мг/100 см3, явно недостаточно для нормальной жизнедеятельности и дрожжей, и молочнокислых бактерий.

Спиртовое брожение - это цепь 11 ферментативных реакций, конечным результатом которых является биосинтез из одной молекулы глюкозы двух молекул этилового спирта, двух молекул диоксида углерода с выделение 118 кДж свободной энергии.

В процессе спиртового брожения важную роль играют АТФ - донор высокоэнергетичного фосфата и НАДН2 как донор электронов и НАД (НАДФ) как акцептор электронов.

Первая реакция - это фосфорилирование глюкозы в глюкозо-6-фосфат, катализируемое ферментом глюкокиназой. К молекуле глюкозы присоединяется остаток фосфата, поставляемого молекулой АТФ, которая превращается в АДФ.

Вторая реакция - изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат, катализируемая ферментом глюкозофосфатизомеразой.

При сбраживании фруктозы она фосфорилируется до фруктозо-6-фосфата и включается в дальнейшие реакции.

Третья реакция - фосфорилирование фруктозо-6-фосфата до фруктозо-1,6-дифосфата с участием фермента фосфофруктокиназы и молекулы АТФ - донора фосфата - с образованием АДФ. Эта реакция обратима.

Образование фруктозо-1,6-дифосфата, лабильнойоксиформы, заканчивает подготовительную стадию спиртового брожения. Этот эфир фосфорной кислоты легко подвергается дальнейшим ферментативным превращениям.

Четвёртая реакция - обратимый разрыв углеводной цепочки фруктозо-1,6-дифосфата с образованием двух фосфотриоз (3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона) с участием фермента альдолазы.

Три-фосфоглицериновому альдегиду принадлежит главная роль в спиртовом брожении. Он обратимо превращается в фосфодиоксиацетон с участием фермента триозофосфат-изомеразы.

Пятая реакция - окисление двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида до двух молекул 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, катализируемое триозофосфатдегидрогеназой, коферментом которого является НАД (никотинамиддинуклеотид). В реакции участвует неорганический фосфат. Две молекулы НАД присоединяют две пары атомов водорода.

Шестая реакция. Остаток фосфата 1,3-дифосфоглицериновой кислоты с участием фосфоглицераткиназы переносится на молекулу АДФ, которая превращается в АТФ. Две молекулы 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и две молекулы АДФ превращаются в две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты и две молекулы АТФ.

Седьмая реакция. С участием фосфоглицеромутазы остаток фосфата перемещается от третьего углеродного атома 3-фосфоглицериновой кислоты ко второму углеродному атому. В результате 3-фосфоглицериновая кислота обратимо превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту.

Восьмая реакция - дегидратирование двух молекул 2-фосфоглицериновой кислоты с участием фермента энолазы до двух молекул фосфоэнолпировиноградной кислоты (ФЭП) и одной молекулы воды. Происходит перераспределение внутримолекулярной энергии и аккумулирование части её в высокоэнергетической фосфатной связи, в то время как 2-фосфоглицериновая кислота содержала обычную фосфатную связь.

Девятая реакция - дефосфорилирование двух весьма нестойких молекул ФЭП до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК) с участием двух молекул АДФ, превращающихмя в две молекулы АТФ. Реакцию катализирует пируваткиназа.

Десятая реакция - декарбоксилирование двух молекул ПВК с участием пируватдекарбоксилазы до двух молекул уксусного альдегида и двух молекул СО2.

Одиннадцатая реакция. Две молекулы уксусного альдегида с участием алкогольдегидрогеназы взаимодействуют с двумя молекулами НАДН2, которые образовались при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту (пятая реакция). В результате уксусный альдегид восстанавливается в две молекулы этилового спирта, а НАДН2 превращается в НАД.

Биологический смысл спиртового брожения заключается в извлечении энергии для использования в других реакциях, требующих затрат энергии.

Образовавшийся этиловый спирт сохраняет в своих молекулах часть энергии, поэтому с энергетической точки зрения спиртовое брожение - невыгодный процесс по сравнению с аэробным дыханием, когда за счёт превращения глюкозы в СО2 и воду дрожжевая клетка получает более 2500 кДж энергии.

Во время гетероферментативного молочнокислого брожения молочнокислые бактерии Betabacterium (Lactobacillusfermentum) рас 11 и 13, наряду с молочной кислотой, синтезируют уксусную кислоту, СО2, этиловый спирт и небольшое количество других метаболитов.

В начале брожения интенсивно накапливаются этиловый спирт и уксусная кислота. Молочная кислота равномерно накапливается в ходе всего процесса брожения.

Процесс гетероферментативного молочнокислого брожения включает 14 реакций.

Первая реакция - это фосфорилирование глюкозы в глюкозо-6-фосфат, катализируемое ферментом глюкокиназой. К молекуле глюкозы присоединяется остаток фосфата, поставляемого молекулой АТФ, которая превращается в АДФ.

Вторая реакция - это дегидрирование глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконо-дельта-лактона с участием НАДФ и глюкозофосфатдегидрогеназы.

Третья реакция - гидролиз 6-фосфоглюконо-дельта-лактона до 6-фосфоглюконовой кислоты с участием глюконо-дельта-лактон-гидролазы (глюконолактоназы), коферментами которой могут быть магний, марганец и кобальт.

Четвёртая реакция - декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты с участием НАДФ и 6-фосфоглюконат:НАДФ(НАД)-окисдоредуктазы до рибулозо-5-фосфата и СО2.

Пятая реакция - обратимое превращение рибулозо-5-фосфата с участием рибулозофосфат-эпимеразы в ксилулозо-5-фосфат.

Шестая реакция - расщепление ксилулозо-5-фосфата с участием фосфокетолазы (Д-ксилулозо-5-фосфат-глицеральдегид-3-фосфат-лиазы) с присоединением неорганического фосфата в 3-фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат (СН3СОО-Р).

Седьмая реакция - окисление двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида до двух молекул 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, катализируемое триозофосфатдегидрогеназой, коферментом которого является НАД (никотинамиддинуклеотид). В реакции участвует неорганический фосфат. Две молекулы НАД присоединяют две пары атомов водорода.

Восьмая реакция. С участием фосфоглицеромутазы остаток фосфата перемещается от третьего углеродного атома 3-фосфоглицериновой кислоты ко второму углеродному атому. В результате 3-фосфоглицериновая кислота обратимо превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту.

Девятая реакция - дегидратирование двух молекул 2-фосфоглицериновой кислоты с участием фермента энолазы до двух молекул фосфоэнолпировиноградной кислоты (ФЭП) и одной молекулы воды. Происходит перераспределение внутримолекулярной энергии и аккумулирование части её в высокоэнергетической фосфатной связи, в то время как 2-фосфоглицериновая кислота содержала обычную фосфатную связь.

Десятая реакция - дефосфорилирование двух весьма нестойких молекул ФЭП до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК) с участием двух молекул АДФ, превращающихмя в две молекулы АТФ. Реакцию катализирует пируваткиназа.

Одиннадцатая реакция - обратимое восстановление ПВК до молочной кислоты с участием НАД-НАДН2 и лактатдегидрогеназами.

Лактатдегидрогеназыстереоспецифичны. Одна из них катализирует реакцию с образованием L-молочной кислоты, другая - с образованием D-молочной кислоты. Чаще всего образуется рацемическая смесь D- и L-форм.

Двенадцатая реакция - восстановление ацетилфосфата, образовавшегося в шестой реакции, с отщеплением неорганического фосфата в уксусный альдегид с присоединением пары атомов водорода, донором которых является НАДН2. Фермент, катализирующий эту реакцию, недостаточно изучен.

Тринадцатая реакция - восстановление уксусного альдегида до этилового спирта. Две молекулы уксусного альдегида с участием алкогольдегидрогеназы взаимодействуют с двумя молекулами НАДН2, которые образовались при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту (седьмая реакция). В результате уксусный альдегид восстанавливается в две молекулы этилового спирта, а НАДН2 превращается в НАД.

Четырнадцатая реакция - превращение ацетилфосфата в уксусную кислоту с участием АДФ, ацетаткиназы (АТФ:ацетат-фосфотрансферазы) с магнием в качестве кофермента.

В начальной стадии совместного спиртового и молочнокислого брожения условия их существования одинаково благоприятны и для дрожжей, и для молочнокислых бактерий. В первые 6 ч совместного пребывания взаимоотношения этих микроорганизмов оценивают как симбиотические.

Ранее использовали смешанную культуру дрожжей и молочнокислых бактерий в виде комбинированной закваски, теперь рекомендуется создавать смешанную культуру только во время засева производственного квасного сусла и размножать дрожжи и молочнокислые бактерии в виде чистых культур. Это позволяет осуществлять симбиотические отношения во время первой фазы брожения и гибко регулировать соотношение дрожжей и молочнокислых бактерий в зависимости от их бродильной активности.

Дрожжи выделяют в сусло витамины, аминокислоты, пептиды, необходимые молочнокислым бактериям.

Углеводов в сусле достаточно для нормальной жизнедеятельности обоих микроорганизмов.

Создавая в сусле повышенную кислотность, молочнокислые бактерии препятствуют развитию посторонней бактериальной микрофлоры, способной отрицательно повлиять на дрожжи.

Молочнокислые бактерии более устойчивы к повышенной концентрации этилового спирта в бродящем сусле, чем дрожжи.

Впрочем, накапливается во время сбраживания квасного сусла всего лишь (0,4…0,6)% этилового спирта, что не должно оказывать практически никакого влияния на оба микроорганизма, но при сбраживании квасного сусла смешанной культурой дрожжей и молочнокислых бактерий наблюдается пониженное выделение СО2 и этилового спирта по сравнению со сбраживанием квасного сусла одними дрожжами.

В результате сбраживания квасного сусла кислотность достигает величины не менее 2 см3 раствора NaOH концентрацией 1 моль/дм3 на 100 см3сброженного квасного сусла. Такая кислотность не должна заметно ингибировать молочнокислые бактерии, неустойчивые к высокой кислотности.

Примерно 50% от общего количества продуктов гетероферментативного молочнокислого брожения приходится на молочную кислоту, 25% - на СО2, остальные 25% - на уксусную кислоту, этиловый спирт и вторичные и побочные продукты молочнокислого брожения.

Иногда наблюдают недостаточный уровень накопления этилового спирта дрожжами или кислотности молочнокислыми бактериями. Для получения кваса стандартного качества применяют следующие приёмы.

В квасное сусло, приготовленное из концентрата квасного сусла без добавления сахара, вводят чистую культуру молочнокислых бактерий для накопления достаточной кислотности. Через несколько часов в бродящее сусло добавляют сахар в виде сахарного сиропа и вводят чистую культуру дрожжей.

Для интенсификации спиртового брожения в сусло добавляют в качестве источника витаминов и аминокислот небольшое количество дроблёного ячменного солода.

Меняют соотношение чистых культур дрожжей и молочнокислых бактерий, вводимых в сусло, чтобы обеспечить сбалансированное сбраживание.

Применяют дополнительный засев чистой культуры дрожжей или молочнокислых бактерий в зависимости от хода процесса сбраживания квасного сусла.

спиртовой дрожжи молочнокислый брожение

Список использованных источников

1. Булгаков, Н.И. Биохимия солода и пива [Текст] / Н.И. Булгаков. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 358 с.

2. Жвирблянская, А.Ю. Дрожжи в пивоварении [Текст] / А.Ю. Жвирблянская, В.С. Исаева. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 246 с.

3. Калунянц, К.А. Химия солода и пива [Текст] / К.А.Калунянц : Учебное пособие для вузов. - М.: АО «Агропромиздат», 1990. - 176 с.

4. Коновалов, С.А. Биохимия дрожжей [Текст] / С.А. Коновалов. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 271 с.

5. Кунце, В. Технология солода и пива [Текст] / В. Кунце, Г. Мит. - СПб.: Профессия, 2003. - 912 с.

6. Новаковская, С.С. Справочник по производству хлебопекарных дрожжей [Текст] /С.С. Новаковская, Ю.И. Шишацкий. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 375 с.

7. Технология солода: пер. с нем. [Текст] - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 503 с.

8. Технология спирта [Текст] / под ред. В.Л. Яровенко : учебник для вузов. М. : Колос, 1999. - 446 с.

9. Хмель и хмелевые препараты в пивоварении - М.: Пищевая промышленность, 1982.

10. Хорунжина, С.И. Биохимические и физико-химические основы технологии солода и пива [Текст]: учебник для вузов. - М.: Колос, 1999. - 312 с.