啤酒酵母生长过程中主要离子的作用

啤酒酵母生长过程中主要离子的作用

作为母乳喂养的重要养分，阴离子可以用作蛋白质的功能成分，如酶的辅助组分；虽然它对祖母的繁殖没有必要，但它可以促进母系的生长。在酵母生长过程中,若缺乏了离子则代谢就会受到抑制。对各种离子的作用已有较为成熟的认识:钾离子促进了碳水化合物的代谢;镁离子是许多酶的激活剂;钠离子则与细胞渗透压的维持有关;钙离子对细胞的透性产生影响,还对培养基中的磷酸盐含量有影响,同时钙离子也是一些酶的激活剂。无机磷是细胞中核酸、核蛋白等的成分,是许多辅酶和高能磷酸化合物的组分,又是氧化磷酸化的必需元素,而且磷酸盐类也是维持培养基缓冲性的主要物质。上述研究代表的是共性。本文针对从发酵过程中离子对啤酒酵母代谢的影响,而且主要考察常量元素对与啤酒生产密切相关的酵母的影响,及各种离子的合理浓度。大多数好氧微生物的生长都伴随着pH的下降和总酸的增加,而目前对发酵过程的产酸机理还未完全搞清。本实验将对酵母生长过程中各种离子的合理浓度进行考察,并找出直接影响总酸及pH值的因素,以利于对发酵过程的产酸机理进一步进行探讨。1材料和方法1.1材料表面原麦汁:辽宁建平松林啤酒集团提供。啤酒酵母:辽宁建平松林啤酒集团提供。1.2主要药物和试剂葡萄糖,氢氧化钠,酒石酸钾钠,硫酸铜,3,5-二硝基水杨酸,碘化钾,果糖,茚三酮,浓硫酸,钼酸氨,亚硫酸钠,对苯二酚。1.3主要设备UV-754分光光度计,上海第三分析仪器厂;电感耦合等离子质谱仪惠普ICP-4500,惠普公司。1.4金属离子检测麦汁发酵实验方法:从糖化车间取原麦汁直接经高压锅120℃左右15~20min,冷却后除去其中的沉淀,调至11Bx,pH值调至5.5~5.6。分装于1000mL三角瓶后于121℃下杀菌20min。接种量为0.8%~1%,培养温度为18℃。单因素实验方法:在只含有葡萄糖、蛋白胨、无机磷及氨的培养基中添加所需要的金属离子,pH值调至5.5~5.6后,121℃杀菌20min。接种量为1%,在22℃下摇床培养。其中钾离子以磷酸二氢钾形式,镁离子以硫酸镁形式,钙离子以氯化钙形式,钠离子以磷酸氢二钠形式加入。培养基基本成分:葡萄糖100g,蛋白胨10g,磷酸氢二氨2g,蒸馏水1000mL。1.5检测方法1.5.1糖转化试验在单因素实验,及各种离子最适量对比试验中采用了3,5-二硝基水杨酸法比色测定,在磷的测定实验中采用了费林试剂法。1.5.2钾、钠、钙、镁的测定原子发散光谱法。将发酵液10kr/min离心,根据每种离子的大致含量用去离子水作适当稀释后直接进样测定。1.5.3酸测定取50mL除气发酵液,用NaOH滴定至pH值为9时消耗0.1mol/L的NaOH的毫升数。1.5.4ph测量先测量温度后,直接用PHS-3C型精密pH计选择该温度档进行测定。1.5.5无机磷测定采用磷钼酸氨比色法。先做出标准曲线,然后再进行发酵液中无机磷的测定。测定中发酵液时需稀释100倍再进行测定。2结果与讨论2.1酵母大量增值所导致的主要矛盾由图1、图2可以看到,麦汁发酵过程中,在发酵初期酵母增值过程中,钾、钠、钙、镁离子量均不断减小。在发酵后期,一价离子量增加,二价离子则未有明显变化。在发酵起始酵母大量增值,因而需要大量离子,导致对上述离子的大量吸收。随着发酵液中还原糖、氨基酸等营养物质的减少,对酵母有害物质的增加积累,酵母活力大大降低,并且逐渐衰老。从而部分离子从细胞内向细胞外扩散。渗出的离子主要是钾、钠离子,而且从量上看主要是钾离子。二价离子则几乎未有渗出。2.2总酸和总酸发酵是麦鱼总酸的前提保证此实验培养温度为20℃,每隔6h摇动一次。在发酵过程中,pH值始终在不断下降,总酸在达到最大值后也开始下降,无机磷也因酵母的吸收而不断下降。麦汁中,磷酸盐类是构成总酸的重要部分。由于生长的需要,磷酸类盐被酵母不断吸收利用,因而总酸的增加必然是酵母分泌有机酸引起的。所以起始时总酸以磷酸类盐为主,随着发酵的进行有机酸的量逐渐增大。pH值的下降,说明氢离子的量在不断增加。在发酵初期,这刚好与金属离子的现象相反。从宏观上看存在金属离子与氢离子交换现象。这种交换是由许多离子载体,离子泵等共同作用的结果。最终达到了平衡状态。2.3镁离子对酵母降糖、降糖能力的影响由表1可以看出,钾离子对酵母的生长有很大的促进作用,随着钾离子浓度的增大,酵母降糖速率加快,而且当钾离子浓度达到0.1mol/L,即3.900g/L时仍不存在抑制作用。由资料知道,镁离子作为多种酶的激活剂是细胞生长所必须的。但由表2可以看出,镁离子浓度越大则对酵母的降糖抑制作用越明显。因为蛋白胨中已经含有少量的镁离子,当添加时已经超过了酵母的最适量。由表3可以看出,仅仅添加钠离子的培养基降糖速率明显低于完全培养基。而且随着钠离子浓度的增大,对酵母生长有一定的抑制。由表4钙离子在0.01mol/L时降糖速率达到最大,但和空白相比仍较慢。显然,钙离子的添加就已经对酵母生长有一定的抑制作用。2.4钾离子培养基的生长由表5可以看出,含钾离子的培养基降糖最快,添加钠离子、钙离子和镁离子的培养基还没有空白生长得快。由此,钾离子在细胞有氧呼吸中的作用是巨大的。而且通过与氯化钾的对照可以看到并不是由于无机磷含量的增加引起的。3h+与k+的交换从实验可以看出,酵母生长过程中钾离子的作用最为明显,而且在相当大浓度(0.1mol/L)时仍不会出现抑制现象;镁离子也是必需的,但浓度稍大达到0.002mol/L时,就抑制酵母生长;钠离子对酵母生长有轻微抑制作用,其主要作用是维持细胞渗透压及电位平衡;钙离子在很小的浓度就对细胞生长有抑制作用;无机磷既为酵母体内核酸及磷酸高能化合物的合成提供磷,又为酵母的生长提供了一个合适缓冲环境。通过实验,推断出酵母等微生物的发酵产酸机理:酵母发酵产酸,pH值的下降都与细胞的有氧呼吸紧密联系。H+产生于有氧呼吸时的三羧酸循环,直接来源于呼吸链。呼吸链就象一个“质子泵”,总是不断地将H+从线粒体膜内“泵”膜外。若产生的H+经过ATP酶复合体回到线粒体内生成水,则会带动ATP的合成。这种动力主要是靠电化学梯度推动的。与此同时,部分H+也完全可能透过细胞膜进入发酵液中。这就是发酵时发酵液pH值下降的原因。H+的渗出并不是独立进行的,而是和其他阳离子交换进行。例如,可移动离子载体A23187每转运一个Ca2+或Mg2+时,伴随着将2个H+运出细胞外。另外,Na+/H+交