Вводная лекция
1. Теоретические основы технологии бродильных производств.
2. Взаимоотношения микроорганизмов.
3. Производственная инфекция и дезинфекция.
4. Ферменты микроорганизмов и зерновых культур.
5. Ферментативный гидролиз крахмала и белков.
Технология – наука, изучающая способы и процессы переработки сырья в готовую продукцию. Слово «технология» состоит из двух греческих слов: «технос» – искусство, производство и «логос» – наука. Дословно «технология» – это наука о производстве.
Технология продуктов брожения изучает способы и процессы переработки различных видов сырья в продукты брожения.
Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами, в новые вещества.
Известны различные виды брожения. Обычно они называются по конечным продуктам, образующимся в процесс брожения. Наибольшее применение в промышленности находят спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, лимоннокислое и ацетонобутиловое брожение.
Производства, основанные на брожении, связаны общностью применяемого сырья и характером технологических процессов.
В бродильных производствах используют различные микроорганизмы: дрожжи, бактерии, микроскопические грибы.
Для производства этанола, вина, пива и хлебопекарных дрожжей используют дрожжи. Бактерии применяют в производстве ацетона, бутанола, молочной, уксусной и масляной кислот. Микроскопические грибы используют при получении лимонной и глюконовой кислот. Производство кваса основано на совместном применении дрожжей и молочнокислых бактерий.
К бродильной промышленности относятся также производства ликероводочных и безалкогольных напитков, так как они применяют этанол и технологическое оборудование, используемые в бродильном производстве.
Наиболее древними отраслями бродильных производств являются виноделие и пивоварение. В Египте виноделие появилось еще за 8 – 10 тыс. лет до н. э. В Вавилоне варили пиво за 7 тыс. лет до н. э.
Современные заводы бродильной промышленности – это высокомехенизированные предприятия с интенсифицированными и непрерывными технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование технологии и техники бродильных производств направлено на расширение ассортимента, повышение качества и выхода выпускаемой продукции, полное и более рациональное использование перерабатываемого сырья, снижение тепло- и энергозатрат, улучшение экологии и обеспечение высоких технико-экономических показателей работы предприятий.
1. Теоретические основы технологии бродильных производств
Бродильные производства основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов. Для каждого вида брожения подбирается определенная культура микроорганизма и создаются условия, обеспечивающие ограничения или полное исключение развития посторонней микрофлоры. Чтобы управлять микробиологическим процессом, необходимо знать физиологию применяемых культур микроорганизмов, т.е. процессы, протекающие в клетке, условия культивирования и влияние основных факторов окружающей среды на направленный биосинтез.
Стадии развития микроорганизмов
Для использования микроорганизмов в производстве необходимо всестороннее изучение их свойств, в том числе закономерностей роста и развития. Под ростом понимают увеличение биомассы за счет усвоенных им питательных веществ среды, а под развитием – изменение морфологических и физиологических свойств в процессе жизненного цикла.
Бактерии, дрожжи и микроорганизмы обычно размножаются почкованием и очень редко при большом дефиците питательных веществ и других неблагоприятных условиях – спорообразованием. Культивирование микроорганизмов может осуществляться периодическим и непрерывным способами.
При периодическом культивировании микроорганизмы последовательно проходят пять основных стадий (фаз) роста: лаг-фазу, экспоненциальную, или логарифмическую, замедленного роста, стационарную и отмирания. Характер этих стадий зависит от физиологического состояния клеток и различных факторов среды.
Лаг-фаза. В этой фазе происходит процесс приспособления микроорганизмов к новой среде и окружающим условиям. Численность микроорганизмов в этой фазе не увеличивается. Продолжительность фазы зависит главным образом от условий предварительного культивирования и от того, насколько пригодна для их роста данная питательная среда. В тех случаях, когда источники энергии и углерода в новой среде отличаются от тех, какие имелись в предшествующей культуре, адаптация к новым условиям может быть связана с синтезом новых ферментов, в которых ранее не было необходимости. Если молодые, только что делившиеся клетки внести в благоприятную среду, то лаг-фаза может отсутствовать.
Экспоненциальная, или логарифмическая фаза. Характеризуется максимальной для данной культуры скоростью размножения. В этой фазе клетки хорошо снабжены питательными веществами и не накопили еще вредных продуктов обмена. Большинство клеток в этой фазе физиологически молодые и биологически активные. Размножение микроорганизмов может быть определено прогрессией, подчиняющейся закону сложных процентов.
Фаза замедленного роста. Экспоненциальная фаза постепенно переходит в фазу замедленного роста. В этой фазе скорость размножения популяции постепенно снижается. Это объясняется тем, что через несколько часов после начала логарифмической фазы роста в питательной среде создаются неблагоприятные условия для размножения микроорганизмов: уменьшается концентрация питательных веществ и некоторых необходимых соединений в среде, изменяется рН, часть клеток переходит в состояние покоя и гибнет вследствие различных причин. Интенсивность деления клеток снижается, а гибель клеток возрастает, рост числа живых клеток происходит все медленнее.
Стационарная фаза. Эта фаза наступает тогда, когда абсолютное число клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Число вновь образующихся и число погибающих или переходящих в стадию покоя клеток приблизительно одинаковы. На протяжении этой фазы численность популяции не изменяется, скорость размножения равна скорости отмирания.
Число клеток в единице объема в стационарной фазе максимальное, их размеры близки к размерам клеток в исходном посевном материале. Это максимальное значение числа клеток является важным характерным признаком микроорганизма и зависит от внешних условий.
Фаза отмирания. В этой фазе скорость отмирания микроорганизмов превышает скорость их размножения. Число живых клеток уменьшается. Из-за начавшегося автолиза снижается и суммарная биомасса культуры. отмечаются морфологические и физиологические изменения, появляются инволюционные (необычные) формы клеток.
Фаза отмирания является прямой противоположностью логарифмической фазе. Если в логарифмической фазе достигает максимума скорость размножения, то в фазе отмирания – скорость отмирания, численность микроорганизмов быстро снижается, в живых остается небольшая часть клеток.
Таким образом, на различных стадиях развития культур микроорганизмов изменяется скорость роста их клеток. Одновременно со скоростью роста модифицируется и физиологическая активность микроорганизмов. быстрорастущие клетки потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена гораздо быстрее, чем клетки, рост которых начал замедляться. Первые более отзывчивы на воздействие среды: они легче синтезируют адаптивные ферменты и обладают меньшей устойчивостью к внешним факторам (повышенной температуре, осмотическому давлению, ядовитым веществам и др.).
В процессе роста культуры происходят изменения ферментного аппарата клеток. В связи с этим одни биохимические свойства клеток проявляются в период быстрого роста, другие же, наоборот – в период замедления и отмирания.