«Теоретические закономерности сбраживания сахаров в пшеничных полуфабрикатах».

Произведенные в этом направлении исследования показали, что хотя ни один растительный организм не в состоянии производить такое интенсивное брожение, как Saccharomyces, но что существуют все-таки некоторые грибы, которые, при особых и притом ненормальных для их жизни условиях, в состоянии вызвать слабое брожение. К таким грибам относится, напр., Saccharomyces mycoderma, затем разные плесени: Mucor racemosus, M. circinelloïdes и M. mucedo. Нормально эти грибы вегетируют на поверхности жидкости и никакого брожения не вызывают. Если же их погрузить в жидкость и заставить таким образом вести иной образ жизни, они приобретают способность производить спиртовое брожение.
Большинство процессов ферментации в промышленности осуществляется в периодическом режиме при непрерывном перемешивании и аэрировании воздухом.
Скорость потребления кислорода культурой микроорганизмов Q оп-ределяется его расходованием на рост биомассы и поддержание жизне-деятельности микроорганизмов и описывается уравнением Перта [6]
Q = a (dX/dt)+mX, (1)
где X — концентрация биомассы микроорганизмов, г/л;
t — время, ч;
a — трофический коэффициент, учитывающий затраты кислорода на рост биомассы, г О2/г биомассы;
m — коэффициент поддержания жизнедеятельности микроорга-низмов по кислороду, г О2/г биомассы ⋅ ч.
Скорость роста микроорганизмов в простейшем случае вычисляется соотношением
dX/dt = μX, (2)
где μ — удельная скорость роста, 1/ч.
В условиях нелимитированного роста удельная скорость роста био-массы максимальна для данной культуры:
μ =μm (3)
Подставляя выражение (3) в соотношение (2) и соотношение (2) в уравнение (1), получаем
= (aQXmm)+μ. (4)
Обычно каждый аппарат имеет определенное ограничение по ско-рости массопередачи кислорода (Qm). В связи с этим можно получить выражение для концентрации биомассы XL, при которой начнется ли-митированный рост, из условия
. (5) mQQ≥
Отсюда получаем
XL = Qm/(aμm+m)XL. (6)
Условия лимитированного кислородом роста биомассы
Qm=a (dX/dt)+mX. (7)
В процессе роста концентрация биомассы микроорганизмов нарастает, но при этом происходит замедление скорости роста. В конечном счете достигается максимальная концентрация биомассы Хm, при кото-рой весь кислород, поступающий в систему за счет массопередачи, рас-ходуется только на поддержание жизнедеятельности:
Qm = mXm. (8)
Подставляя выражения (8) и (2) в условия (7), можно получить следующее уравнение:
dX/dt=m/a(Xm–X). (9)
C.П. Клыков и В.В. Дербышев [7] предложили назвать это уравнение уравнением лимитированного роста, а также ввести комплексную ха-рактеристику
A = m/a. (10)
Замедление скорости роста биомассы, т. е. уменьшение члена a(dX/dt) в уравнении (7) можно объяснить снижением удельной скорости роста μ в соответствии с уравнением (2).
С.П. Клыков и В.В. Дербышев предложили и другой вариант модели лимитированного роста. Они предположили, что популяция микроорганизмов в процессе лимитированного роста не является однородной, а включает два типа клеток — растущие и покоящиеся, причем для каждого момента времени их сумма дает общую биомассу клеток
X = XS+Xd, (11)
где XS — концентрация нерастущих, покоящихся клеток;
Xd — концентрация растущих клеток.
Такое структурирование, по мнению авторов, позволяет лучше опи-сать биосинтез продуктов клетками микроорганизмов, так как удель-ная скорость биосинтеза различна для каждого из выделенных под-классов популяции.
Для определения в любой момент времени концентрации покоя-щихся клеток авторами предложено уравнение
dXS/dt = AXS, (12)
из которого следует, что концентрация этих клеток в ходе процесса круто возрастает в соответствии с уравнением
XS = XSL· eAt (13)
где XSL — концентрация покоящихся клеток в начале фазы лимитиро-ванного роста;
t — время, исчисляемое с момента начала лимитирования роста ки-слородом.
Принятое без достаточных оснований уравнение (12) и вытекающее из него выражение (13) вызывают следующие возражения:
1. Не определена начальная концентрация XSL. Поскольку начало фазы лимитирования есть одновременно завершение фазы экспоненциального роста, при котором Q < Qm и концентрация покоящихся клеток по определению равна 0, в уравнении (13) приходится произвольно «назначать» величину XSL. В зависимости от этого назначения существенно изменяется весь ход кривой XS(t).
2. Уравнение (13) предсказывает непрерывное возрастание концен-трации XS во времени и пересечение ее с кривой нарастания общей биомассы Х во времени в точке, когда концентрация биомассы X < Xm.
Нами предложен другой способ описания структурированной модели.
Исходными предпосылками являются положения, что покоящиеся клетки потребляют кислород только на поддержание жизнедеятельности:
QS = mXS, (14)
а растущие клетки — также и на трофические потребности:
Qd=a(dXd/dt)+mXd, (15)
где QS и Qd — скорости потребления кислорода соответственно покоящимися и растущими клетками.
При этом удельная скорость роста растущих клеток постоянна в любом периоде фазы лимитированного роста культуры, а наблюдаемое замедление роста общей биомассы вызвано снижением концентрации в ней растущих (или делящихся) клеток. Величина удельной скорости роста таких клеток соответствует максимальной величине μm в фазе экспоненциального роста. Отсюда следует соотношение
dXd/dt = μmXd. (16)
При этом трофический коэффициент делящихся (растущих) клеток равен такому коэффициенту a для всей культуры, поскольку прирост общей биомассы происходит как раз за счет делящихся клеток.
В условиях лимитированного роста
Q=Qm, (17) Qm = QS + Qd. (18)
Подставляя выражения (14), (15) и (11) в уравнение (18), получаем
XS = (aμm+m / aμm)X — (Qm / aμm), (19) Xd = Qm / aμm — m / aμm X. (20)
Решение уравнения (7) для фазы лимитированного роста дает зави-симость общей концентрации биомассы Х от времени:
X = Xm+(Xm-XL) е-At. (21)
При этом анализ уравнений (19), (20) и (21) показывает, что при t = 0 Х = ХL, Xd = XL, XS = 0, а при t → ∞ X = Xm, Xd = 0, XS = Xm.
Зависимость концентрации делящихся клеток Xd от времени плавно снижается по экспоненте от XL до нуля, а зависимость концентрации покоящихся клеток XS от времени плавно возрастает по экспоненте от 0 до Xm. В то же время общая концентрация биомассы Х возрастает по экспоненте с тем же показателем А от XL до Xm.
Соотношение
R = XS/X, (22)
которое рассматривается в работе [2], монотонно возрастает во времени и достигает своего максимума при t → ∞ (R → 1). При этом на кривой зависимости R(t) нет других экстремумов, которые мы предлагали рас-сматривать как некоторые особые точки, характеризующие процесс лимитированного роста.
Таким образом, представленная модель позволяет легко находить кинетические константы по обычно измеряемым значениям концентрации общей биомассы во времени и на их основе концентрации структурных составляющих популяции Xd и XS. В свою очередь, значение этих концентраций позволяет получать зависимости удельной скорости биосинтеза продуктов метаболизма qр от этих величин и на их основе строить соответствующие кинетические модели, используя эксперименты с измерением концентраций продукта Р, биомассы Х и субстрата S.


Заключение
Изучение свойств зерновой фитазы пшеницы показало, что гидролиз фитина сырья оказывает позитивное влияние на процесс воднотепловой и ферментативной обработки сырья и может положительно сказаться на дальнейших стадиях производства этанола, в частности, процессе сбраживания. Известно, что последний зависит от целого ряда факторов.
К ним относятся:
- состав осахаренного сусла, его концентрация, степень гидролиза крахмала сырья, количественный и качественный состав продуктов деструкции белков, некрахмалистых полисахаридов, присутствие активаторов и ингибиторов ферментов и др.;
- используемые расы спиртовых дрожжей, определяющие особенности метаболизма дрожжевых клеток при сбраживании углеводов и накопление вторичных побочных продуктов брожения;
- продолжительность сбраживания и температура проведения процесса.

Список литературы
Богушева В.И. Технология приготовления пищи. – М.: Феникс, 2012. - 374 с.
Павлов С.А. Пшеница. – СПб.: Лениздат, 2005. - 128 с.
Круглова Н.Н. Эмбриологические основы андроклинии пшеницы. - М.: Феникс, 2005. - 99 с.
Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. – М.: Изд-во Института компьютерных исследований, 2004 г. - 212 с.
Волькенштейн М.В., Догонадзе Р.Р., Мадумаров А.К., Урушадзе З.Д., Харкац Ю.И. К теории ферментативного катализа. / Молекулярная биология, 1972, т. 6, вып. 3, С. 431-439.
Pirt S.J. Principles of microbe and cell cultivation. Oxford, 1975.
Клыков С.П., Дербышев В.В. Связь возрастной структуры биомассы микро-организмов с клеточными синтезами. М., 2003.










23