KAUNO KOLEGIJA
TECHNOLOGIJŲ FAKULTETAS
MAISTO PRAMONĖS TECHNOLOGIJŲ IR ĮRENGINIŲ KATEDRA
Technologinių procesų chemijos kursinis darbas
RŪGIMO BIOCHEMIJA
Darbą atliko: 2TF gr studentas
T.Orlauskas
Priėmė:
A.Sugintienė
KAUNAS
2004
Fermentacijos biochemija
Medžiagų apykaitos įvairovė mielėse
Mielės gali augti aerobiškai arba anaerobiškai. Pradinėje padėtyje ląstelės
kvėpuoja o vėliau rūgsta. Vien tik rūgimo mielės naudojamos alaus gamyboje.
Pasteras apibūdino rūgimą kaip “gyvenimą be oro” ir mielių augimui alaus
rūgimo procese yra geras apibūdinimas.
Rūgimas iš vis negali būti atskiriamas nuo mielių augimo proceso kuris
padidina ląstelių kiekį ir jų dydį (dėl mielių pumpuravimosi). Augimui
sukelti reikia maistinės terpės. Maistinių medžiagų trūkumas paskatina
neužbaigtą ir nepakankamą rūgimą
Mielių maistinės medžiagos
Alaus mielėms nuolat reikia anglies šaltinio, azoto, kai kurių vitaminų,
mikroelementų ir prie normalių sąlygų nedidelio kiekio molekulinio
deguonies. Tai yra tiekiama iš rūgstančio cukraus (dažniausiai maltozė),
amino rūgščių, B vitaminų iš salyklo, mikroelementai iš salyklo ir vandens
(dažniausiai tai yra kalcio, magnio, cinko, fosfatų ir sulfatų jonai).
Molekulinis deguonis aprūpinamas tiesiogiai aludario baigiantis rūgimui.
Mielėm maistą naudojant papildomai rauginama misa kai kuriose daryklose
naudojamas mielių ekstraktas(vitaminams), amonio vandeniliniam fosfatui ir
cinko sulfatui. Paveiksliukas parodo supaprastintą rauginimo vaizdą.
Sudėtos į misą mielės naudoja maisto medžiagas kad suteiktų energijos (ATP)
ir darytų alkoholį ir anglies dvideginį (CO2). Tai gaminama paverčiant
galią (nikotinamido adenin dinukleotid fosfatas, NADPH ) naujų mielių
kiekio sintezėje. Maistas taip pat tiesiogiai įsisavinamas į naujų ląstelių
sudedamąją dalį arba naudojamas gaminant tarpinius šio proceso junginius.
Energijos gaminimasis ir energijos panaudojimas yra glaudžiai susiję. Be to
šie procesai paskatina sintezę ir didelį kiekį šalutinių medžiagų apykaitos
produktų išsiskyrimą į misą, daugelis jų gamina charakteringas skonines ir
aromatines medžiagas.
Medžiagų apykaitos procesas pagrindinė charakteristika
Teisingiausia apibūdinti metabolizmą kaip grandinę (grupę) biocheminių
reakcijų kurios užsibaigia pačios savaime. Kaip bebūtų (ryšių) be reakcijų
taip pat nebus. Kai kurios reakcijos vyksta atskirai nuo kitų.
Biocheminės reakcijos atpažįstamos kaip grandinė reakcijų kurios veikiant
fermentams vienas reakcijos produktas pereina į kitos reakcijos substratą.
Šios reakcijos kurių pagrindinė paskirtis yra gaminti energiją vykstant
oksidacijai substrate. Oksidacija paprastai pasiekiama (užbaigiama)
persikeliant hidrido jonui fermento kofaktorių (nikotinamid adenin
nukleotidą NAD+). Taigi NAD+, oksiduota kofaktorio forma paverčiama į NADH
redukuotą formą. Šios oksidacijos- redukcijos reakcijos yra veikiamos
dehidrinančių fermentų. Oksidacijos išlaisvina (išskiria) energiją
(dažniausiai stebimi ne fermentiniai pavyzdžiai yra šilumą išskiriantys iš
degančio suakmenėjusio kuro (anglis). Metabolizmo procese oksidacija yra
atsargiai kontroliuojama, taigi kai kuri energija išsiskiria ir yra
išsaugoma ląstelėse adenozin trifosfato ATP forma reakcia
ADP+ neorganinis fosfatas(Fn) ATP
Suvartojama energija ir atsiranda didesnis jos kiekis dėl metabolizmo.
Atvirkštinėje reakcijoje (ATP hidrolizėje) išsiskiria energija kuri gali
būti panaudojama susintetinant naujus produktus.
Energijos pernešimo reakcijos nėra 100% veiksmingos, rūgimo energija (
šilumos forma) dažniausiai išsisklaido. Tai šilumos išsiskyrimo šaltinis
dėl rūgimo misoje. Tipinėje misoje, pakanka rūgimo šilumos gaminamos
keliant temperatūrą pakankamai įšildomas ir indas kartais iki 17(. Alaus
virino fermentacijoje nėra gerai izoliuota šiluma; dėl to rūgimo metu
metabolitinė šiluma turi(privalo) būti pakeičiama atšaldant,jei rūgimas
kontroliuojamas. Didesni indai mažesnis paviršius palyginus su tūriu tai
padeda sumažinti šilumą. Taigi didesniems indams reikia daugiau veiksmingos
šaldymo sistemos nei mažesniems. Katabolitiniai procesai naudojami
energijos gamybai ir tarpinių produktų gamyboje biosintezėj. Anabolitiniai
procesai sunaudoja redukuotą jėgą ir energiją,tarpinius junginius susiejus
šie procesai dar vadinami anaplerotinėmis reakcijomis,kurie papildomi
biosintezės tarpiniais junginiais. Kai kurie procesai(glikolizė žiūrėti
žemiau) turi centrinę (pagrindinę) padėtį ir sukelia abi funkcijas vadinami
amfiboliniais.
Sekantis skyrius ir apibūdina metabolitinį procesą naudojant alaus
rauginimo mieles
alaus gamyboje. Kai kurie skyriai bus skirti paaiškinimui
pagrindinių procesų. Ši daugiau detalizuota informacija apie pagrindinius
medžiagų apykaitos(metabolizmo) procesus turėtų būti kiekvienoje modernioje
biochemijos knygoje.
MISOS CUKRŲ METABOLIZMAS
ATP gamyba ir alkoholio bei CO2 formavimasis
Fermentuojami cukrųs alaus misoje yra maltozė(salyklo cukrus), maltotriozė,
mažesni kiekiai sacharozės, gliukozės ir fruktozės. Trisacharidas
maltotriozė ir disacharidas maltozė transportuojami į ląstelę ir
hidrolizinami įgliukozę. Sacharozė hidrolizinama ląstelės išorėje į jos
sudedamąsias dalis gliukozę ir fruktozę. Gliukozė ir fruktozė
transportuojamos į ląstelės vidų (pav 2). Fermentas invertazė atsakingas už
sacharozės hidrolizę,yra išoriniame ląstelės sienelės sluoksnyje. Kartais
fermentai patenka į alų. Kaip ir kiti fermentai, taip ir šis yra
inaktyvuojamas šilumos.
Verdant tiriame ar veiksmingas buvo paterizavimas, bet koks invertazės
aktyvumas % po pasterizacijos parodo kad nepakankamas šilumos kiekis buvo
duotas. Testas kuris parodo fermento aktyvumą užima tik kelias minutes.
Ląstelių vidaus gliukozė fosforilinama naudojant ATP ir fermentą
heksokinazę į gliukozės-6-fosfatą. Ši fosforilizacija labai svarbi,nes vien
fosforilinti mišiniai gali būti veikiami vėlesnių fermentų. Gliukozės
metabolizmas tęsiasi glikolizės keitimosi proceso metu (embdeno-majerhofo-
parnaso arba EMP proceso metu). Yra 10 fermentų kurie dalyvauja šio proceso
metu,kurie oksiduoja 6anglies cukrus I 2 piruvato molekules. Proceso
pabaigoje gaunama nauda- 2 molekulės ATP ir 2 NADH molekulės.
Procesas pavaizduotas žemiau. Gliukozės-6-fosfatas, pagamintas heksokinazės
iš misos gliukozės, fermento fosfogliukoizomerazės veikiamas paverčiamas į
jos izomerą fruktozės-6-fosfatą.
Fruktozės-6-fosfatas( susiformavęs dėl heksokinazės iš misos fruktozės)
fosforilinamas kad gautume fruktozės 1,6-difosfatą. Hidrolizinama fermentu
aldolaze ir gauname trikarbon fosfatus (gliceraldehid-3-fosfatą ir 3-
fosfogliceroną dar žinomą kaip dihidroaceton fosfatas). Reakcijos
privalumai-vėlesnė produkcija ,bet tai yra izomerizuojamas dėl triozėfosfat
izomerazės.
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
glicerolio aldehido 3- fosfatas oksiduojamas reakcijoje tarpininkaujant
dehidrogenazei su NAD+-kofaktorius ir sukelia fosfato prisijungimą
substrate. 1,3 difosfogliceratas (3-fosfogliceroilfosfatas)yra šios
reakcijos produktas.fosfoesterio jungčių hidrolizė C-1 atomo,sudaroma dėl
fosfogliceratkinazės kad gautume 3-fosfogliceratą išskiriantį didelį kiekį
energijos. Ši energija naudojama ATP sintezėje. Dabar jau 2 gliceraldehid 3-
fosfato molekulės gautos iš kiekvienos gliukozės molekulės metabolizmo
metu, 2 ATP sunaudotos pačioje proceso pradžioje dabar efektyviai
susigrąžinama. Fermentas fosfogliceromutazė pakeičia 3-fosfogliceratą į 2-
fosfogliceratą ir išskiriamas vanduo dėl fermento enolazės, gauname
fosfoenolpiruvatą. Anglies į fosforą (A-F) hidrolizė atliekama
piruvatkinazės, išsiskiria pakankamas kiekis energijos ATP sintezei. Viso
proceso metu gauname papildomas 2 ATP molekules. Tai ir yra glikolizės
proceso pabaiga. Kaip bebūtų ląstelė išeikvoja(suvartoja) NAD+ tačiau
pagamino NADH. Kofaktoriauis oksiduotos formos tiekimas yra ribotas ir turi
būti regeneruojamas iš redukuotų formų. Jei tai nepadaroma tada energijos
gavimo reakcijos baigiasi. Alaus mielėse NADH oksidacija pasiekiama kai
kuriais kitais piruvato metabolizmo procesais. Naudojami 2 fermentai
piruvatdekarboksilazė ir alkoholdehidrogenazė. Pirmasis iš substrato
atskiria CO2 ir duoda etanalį (acetaldehidą) ;antrasis naudodamas etanalio
substratą, NADH kaip kofaktorių padaro etanolį (alkoholį) regeneruojantis
NAD+. šie svarbūs katabolizmo produktai taip pat yra svarbiausios alaus
sudėtinės dalys. Etanolis pagamintas bedeguonėje terpėje duoda mielėms
apsaugą ir tuo skiriasi mielės iš natūralios aplinkos, nes alkoholis yra
daugelio mikrobų inhibitorius.
Glikolitinis procesas aptinkamas daugelyje gyvųjų organizmų. Kai kurios
pieno rūgšties bakterijos naudoja šį proces regeneruojsi NAD+ redukuojant
piruvatą į pieno rūgštį. Fermentas naudojamas šiame procese –