Производство спирта

      Так, отношение поверхности клетки к  ее объему дрожжей Sacch. cerevisiae расы XII равно 0,46, термотолерантных дрожжей Sacch. cerevisiae К-81 — 0,5...0,62, дрожжей Schizosaccharomyces pombe — 0,46. Дрожжи расы К-81 накапливают больше биомассы дрожжевых клеток, чем дрожжи расы XII, при различных значениях рН среды (3,2...4,2) и оптимальной температуре дня каждой из них.

      Дрожжевая клетка состоит из оболочки, цитоплазмы и ядра. Наружная часть оболочки образована полисахаридами типа ге- мицеллюлоз, преимущественно маннаном и небольшим количеством хитина, внутренняя часть — белковыми веществами, фосфолипидами и липоидами. Оболочка регулирует состояние клеточного содержимого и имеет избирательную проницаемость, чем существенно отличается от обычных полупроницаемых мембран. Толщина клеточной стенки дрожжей до 400 нм.

      Цитоплазматическая  мембрана (плазмалемма) имеет толщину 7...8 нм, расположена под клеточной  стенкой и отделяет ее от цитоплазмы. Плазмалемма — основной барьер, определяющий осмотическое давление в  клетке, — обеспечивает избирательное  движение питательных веществ из среды в клетку и вывод метаболитов из клетки. Плазмалемма состоит из бимолекулярного слоя липидов, в который включены белковые молекулы. Липиды ориентированы неполярными концами внутрь, друг к другу, а полярными — наружу.

      Перемещение веществ через цитоплазматическую мембрану происходит вследствие молекулярной диффузии (по градиенту концентрации) и в результате активного движения, в котором участвуют специфические  ферменты, и в этом случае вещества могут поступать в клетку и  против градиента концентрации. Например, аминокислоты легко проникают в  клетку из среды, даже если их концентрация в цитоплазме в 100...200 раз выше, чем  в питательной среде.

      Цитоплазма  имеет гетерогенную структуру и  вязкую консистенцию. Коллоидный характер ее обусловлен белковыми веществами. Кроме них в цитоплазме содержатся рибозонуклеопротеиды, липоиды, углеводы и значительное количество воды. Цитоплазма молодых клеток внешне гомогенна. При старении в ней появляются вакуоли, равномерная зернистость, жировые и липоидные гранулы. В цитоплазме с ее органоидами (хондриосомами, микросомами, вакуолями) и включениями протекают важнейшие ферментативные процессы.

      Митохондрии (хондриосомы) имеют форму зернышек, палочек или нитей. Митохондриальные мембраны состоят из белков (80 %) и липидов (20 %). В состав митохондрий входят также полифосфаты, РНК и ДНК. Митохондрии размножаются самостоятельно, реплицируя собственную митохондриальную ДНК и продуцируя собственные белки. Питательные вещества, проникающие в клетку, адсорбируются и аккумулируются хондриосомами и подвергаются быстрым превращениям вследствие концентрации в этих участках клетки соответствующих ферментов. В митохондриях полностью осуществляются цикл трикарбоновых кислот и важнейшая энергетическая реакция — окислительное фосфорилирование. Поэтому их рассматривают как основную «силовую станцию» клетки. Здесь же происходят реакции активирования аминокислот в процессе синтеза белка, липидов и других соединений.

      Микросомы (рибосомы) представляют собой включения  в виде субмикроскопических зернышек, состоящих из липидов, белков и рибонуклеиновых  кислот (РНК), которые обеспечивают синтез белков за счет активированных аминокислот, поступающих из митохондриальной системы.

      Ядро  — небольшое шаровидное или овальное тело, окруженное цитоплазмой и нерастворимое в ней. В ядерных структурах обособлены в виде включений дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и ее протеид (ДНКП), содержится большое количество РНК. ДНК способствует передаче наследственной информации, сохранению свойств микроорганизмов. В ядре осуществляются транскрипция (синтез молекул информационных РНК путем считывания информации с ДНК с помощью фермента РНК — полимеразы), а также репликация ДНК при делении клетки.

      Обязательный  органоид клетки вакуоли — полости, наполнен- ные клеточным соком и отделенные от цитоплазмы вакуолярной мембраной. Форма вакуолей изменяется вследствие движения и контракции цитоплазмы. Вакуоль в молодых клетках состоит из множества мелких полостей, в старых — из одной очень большой. Клеточный сок представляет собой водный раствор различных солей, углеводов, белков, жиров и ферментов. В вакуолях сосредоточиваются различные соединения, которые должны подвергаться ферментативным превращениям, образуются продукты жизнедеятельности и отбросы.

      В молодых дрожжевых клетках жира обычно нет, в зрелых он содержится лишь в немногих клетках в виде мелких капелек, в старых — крупных  капель.

      Гликоген  — запасное питательное вещество дрожжей, накапливающееся при культивировании дрожжей на средах, богатых сахаром, и при недостатке его быстро расходуется. В молодых клетках гликогена мало, в зрелых — значительное количество (до 40 %).

      По  внешнему виду клеток можно определить физиологическое состояние дрожжей. В производственных средах одновременно присутствуют молодые, зрелые, почкующиеся старые и отмершие клетки. Наибольшей бродильной энергией обладают зрелые клетки.

      Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны иметь высокую бродильную энергию (быстро и полно сбраживать сахара) и анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле, при переработке мелассы полно сбраживать раффинозу.

      На  спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, применяют дрожжи расы Я, при использовании дрожжей в качестве хлебопекарных — расу лохвицкую (Ял) и венгерскую (В). Эти расы хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу, фруктозу и лишь 1/3 раффинозы, поэтому при большом содержании раффинозы в мелассе недобор спирта значительный.

      Для сбраживания сусла из мелассы  на некоторых заводах используют расу V-30. Она обладает высокой генеративной способностью, сбраживает раффинозу на 70...80 % и выделенные из зрелой бражки дрожжи имеют лучшие, чем дрожжи расы В, хлебопекарные качества. Кроме того, они способны переносить высокие концентрации сухих веществ в сусле и накапливать в зрелой бражке больше спирта, так как они глубже сбраживают сахара сусла и меньше образуют глицерина. Мальтазная активность дрожжей расы V-30 более чем в 2,5 раза выше по сравнению с дрожжами расы В.

      Повышение бродильной активности дрожжей может  быть достигнуто различными способами: мутагенезом, гибридизацией и др. Для получения рас дрожжей с требуемыми свойствами наиболее перспективным оказался метод гибридизации, так как при скрещивании двух родительских видов дрожжей можно подобрать расы с заранее известными свойствами. Этим способом был получен ряд гибридов, имеющих преимущества перед дрожжами рас Я и В. Гибриды содержат фермент а-галактозидазу, под действием которой раффиноза полностью превращается в сбраживаемые сахара. Кроме того, у отдельных дрожжевых гибридов повышена генеративная способность и лучше хлебопекарные свойства. Мальтазная активность гибрида 112 выше, хотя спирта он накапливает на 1 % меньше, чем дрожжи расы В. Гибриды 67 и 105 обеспечивают одинаковый выход спирта по сравнению с расой В, но проявляют высокую генеративную способность. Дрожжи расы Г-67 устойчивее к пониженному рН, при котором образуется больше спирта в результате сокращения расхода сахарозы на побочные и вторичные продукты.

      ТЕМПЕРАТУРА И рН

      Дрожжи  живут и размножаются в ограниченных температурных пределах и для нормальной их жизнедеятельности необходима температура 29...30 "С. При очень высокой или очень низкой температуре жизнедеятельность дрожжей ослабляется или прекращается. Максимальная температура для развития дрожжей 38 "С, минимальная 5 °С; при температуре 50 "С дрожжи погибают.

      Оптимальные температуры для развития и проявления максимальной бродильной активности не всегда совпадают. Дрожжи, выращенные при температуре, например, 17...22 'С, имеют большую бродильную энергию. Сбраживание мелассного сусла при температурах выше 30 °С отрицательно отражается на выходе и качестве дрожжей, выделяемых из зрелой бражки и используемых в качестве хлебопекарных. Ферментативная активность, подъемная сила и стойкость таких дрожжей при хранении понижаются, поэтому для выращивания дрожжей и сбраживания мелассного сусла рекомендуется следующий температурный режим: 28...29 "С в дрожжегенераторах, 30...31 "С в двух головных бродильных аппаратах и 28...29 'С в концевых аппаратах. Сусло из крахмалсодержащего сырья сбраживают при 28...32 "С.

      При повышении температуры дикие  дрожжи и бактерии размножаются значительно быстрее сахаромицетов. Если при 32 "С коэффициент размножения диких дрожжей в 2...3 раза больше коэффициента размножения сахаромицетов, то при 38 °С уже в 6...8 раз больше. В результате ускоренного развития бактерий повышается кислотность бражки. В обоих случаях уменьшается выход спирта.

      На  жизнедеятельность дрожжей значительно  влияет активная кислотность среды. Водородные ионы изменяют электрический  заряд коллоидов плазменной оболочки клеток и в зависимости от концентрации могут увеличивать или уменьшать  ее проницаемость для отдельных веществ и ионов. От значения рН зависят скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов, образование витаминов. При изменении рН среды меняется и направление самого брожения. Если рН сдвигается в щелочную сторону, то увеличивается образование глицерина.

      Жизнеспособность  дрожжей сохраняется в пределах рН среды от 2 до 8; для их выращивания оптимальным является рН 4,8...5. При рН ниже 4,2 дрожжи продолжают развиваться, тогда как рост молочнокислых бактерий прекращается. Это свойство дрожжей используют для подавления развития бактерий в инфицированной среде, которую подкисляют до рН 2,8...4 и выдерживают определенное время.

      СОСТАВ  ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

      ПОТРЕБНОСТЬ ДРОЖЖЕЙ В ПИТАТЕЛЬНЫХ  ВЕЩЕСТВАХ

      О потребности дрожжей в питательных  веществах судят по их химическому  составу, зависящему от питательной  среды, условий культивирования дрожжей и их физиологических особенностей. Средний элементарный состав дрожжевых клеток (%): углерод 47, водород 6,5, кислород 31, азот 7,5... 10, фосфор 1,6...3,5. Содержание других элементов незначительно (%): кальция 0,3...0,8, калия 1,5...2,5, магния 0,1...0,4, натрия 0,06...0,2, серы 0,2. В дрожжах найдены микроэлементы (мг/кг): железо 90...350, медь 20...135, цинк 100...160, молибден 15...65.

      В прессованных дрожжах содержится 68...76 % воды и 32...24 % сухого вещества. В зависимости  от состояния коллоидов в дрожжевой клетке может быть 46...53 % внутриклеточной влаги и 22...27 % межклеточной. При изменении общей влажности дрожжей меняется соотношение между количеством внутриклеточной и межклеточной влаги. Удаление 85 % воды из дрожжей при температуре не выше 50 °С почти не влияет на их жизнедеятельность.

      Сухие вещества дрожжей включают в себя 23...28 % органических веществ и 5...7 % золы. Состав органических веществ следующий (%): белка 13...14, гликогена 6...8, целлюлозы 1,8...2 и жира 0,5...2.

      Белок. Дрожжи содержат в среднем 50 % сырого белка в пересчете на сухое  вещество и около 45 % истинного белка. В состав сырого белка входят все  соединения азота, к которым относятся  производные нуклеиновых кислот, — пуриновые и пиримидиновые основания, азот свободных аминокислот.

      Гликоген. При отсутствии питательных веществ в среде гликоген превращается в спирт и диоксид углерода.

      Наряду  с гликогеном содержится трегалоза — очень мобильный резервный углевод, обусловливающий стойкость хлебопекарных дрожжей. Содержание трегалозы возрастает с уменьшением азота и при рН ниже 4,5.

      Жир. В состав жира входят в основном олеиновая, линолено- вая и пальмитиновая кислоты. Он содержит 30...40 % фосфати- дов.

      Зола. Зола состоит из следующих основных окислов (%): Р2О5 — 25...60, К2О — 23...40, СаО — 1...8, MgO - 4...6, Na₂0- 0.5...2, SO3 — 0,5...6, S1O2- 1...2, Fe₂0₃ - 0,05...0,7.

      Фосфор  содержится преимущественно в виде органических и неорганических орто-, пиро- и метафосфатов. Они входят в состав молекул нуклеиновых кислот, фосфолипидов и кофер- ментов типа аденозинфосфата и тиамина. Так, ядерное вещество клетки (нуклеопротеиды) содержит фосфор в виде ортофосфата. В виде ортофосфата фосфор входит также в состав флавиновых ферментов, в виде пирофосфата — во многие коферменты (коде- гидразы Koi и Кон, карбоксилазы). В виде различных соединений фосфор принимает важное участие в энергетических процессах клетки.

      Сера  входит в состав очень важных соединений — аминокислот (цистеин, цистин, метионин и глютатион) и витаминов (биотин, аневрин). В ферментах сера находится в виде сульфидных и тиоловых групп.

      Железо  содержится в цитохромах, цитохромоксидазе, пе- роксидазе, каталазе и других ферментах, участвующих в процессе дыхания. Оно способствует действию и других ферментов (зимо- геназа, пирофосфатаза).

      Магний  активирует многие фосфатазы и энолазу. Ионы магния влияют на сохранение активности ферментов при нагревании. Магний и марганец ускоряют потребление дрожжами глюкозы. Влияние магния тем сильнее, чем ниже концентрация глюкозы в среде. В питательных средах должно содержаться 0,02...0,05 % магния в виде сульфата. Процессы брожения регулируются изменением концентрации ионов магния в результате присоединения его к органическим веществам.

      Калий необходим не только как питательный  элемент, но и как стимулятор размножения  дрожжей. Стимулирующее действие объясняется существенной ролью его в окислительном фос- форилировании и в процессах гликолиза. Движение неорганического фосфора внутрь клетки специфично стимулируется калием. Калий активирует дрожжевую альдолазу, необходим для действия фермента пируваткарбоксилазы и влияет, так же как азот и сера, на липидный обмен дрожжевых клеток.