啤酒酵母生長過程中主要離子的作用

作為母乳喂養的重要養分，陰離子可以用作蛋白質的功能成分，如酶的輔助組分；雖然它對祖母的繁殖沒有必要，但它可以促進母系的生長。在酵母生長過程中,若缺乏了離子則代謝就會受到抑制。對各種離子的作用已有較為成熟的認識:鉀離子促進了碳水化合物的代謝;鎂離子是許多酶的激活劑;鈉離子則與細胞滲透壓的維持有關;鈣離子對細胞的透性產生影響,還對培養基中的磷酸鹽含量有影響,同時鈣離子也是一些酶的激活劑。無機磷是細胞中核酸、核蛋白等的成分,是許多輔酶和高能磷酸化合物的組分,又是氧化磷酸化的必需元素,而且磷酸鹽類也是維持培養基緩沖性的主要物質。上述研究代表的是共性。本文針對從發酵過程中離子對啤酒酵母代謝的影響,而且主要考察常量元素對與啤酒生產密切相關的酵母的影響,及各種離子的合理濃度。大多數好氧微生物的生長都伴隨著pH的下降和總酸的增加,而目前對發酵過程的產酸機理還未完全搞清。本實驗將對酵母生長過程中各種離子的合理濃度進行考察,并找出直接影響總酸及pH值的因素,以利于對發酵過程的產酸機理進一步進行探討。1材料和方法1.1材料表面原麥汁:遼寧建平松林啤酒集團提供。啤酒酵母:遼寧建平松林啤酒集團提供。1.2主要藥物和試劑葡萄糖,氫氧化鈉,酒石酸鉀鈉,硫酸銅,3,5-二硝基水楊酸,碘化鉀,果糖,茚三酮,濃硫酸,鉬酸氨,亞硫酸鈉,對苯二酚。1.3主要設備UV-754分光光度計,上海第三分析儀器廠;電感耦合等離子質譜儀惠普ICP-4500,惠普公司。1.4金屬離子檢測麥汁發酵實驗方法:從糖化車間取原麥汁直接經高壓鍋120℃左右15~20min,冷卻后除去其中的沉淀,調至11Bx,pH值調至5.5~5.6。分裝于1000mL三角瓶后于121℃下殺菌20min。接種量為0.8%~1%,培養溫度為18℃。單因素實驗方法:在只含有葡萄糖、蛋白胨、無機磷及氨的培養基中添加所需要的金屬離子,pH值調至5.5~5.6后,121℃殺菌20min。接種量為1%,在22℃下搖床培養。其中鉀離子以磷酸二氫鉀形式,鎂離子以硫酸鎂形式,鈣離子以氯化鈣形式,鈉離子以磷酸氫二鈉形式加入。培養基基本成分:葡萄糖100g,蛋白胨10g,磷酸氫二氨2g,蒸餾水1000mL。1.5檢測方法1.5.1糖轉化試驗在單因素實驗,及各種離子最適量對比試驗中采用了3,5-二硝基水楊酸法比色測定,在磷的測定實驗中采用了費林試劑法。1.5.2鉀、鈉、鈣、鎂的測定原子發散光譜法。將發酵液10kr/min離心,根據每種離子的大致含量用去離子水作適當稀釋后直接進樣測定。1.5.3酸測定取50mL除氣發酵液,用NaOH滴定至pH值為9時消耗0.1mol/L的NaOH的毫升數。1.5.4ph測量先測量溫度后,直接用PHS-3C型精密pH計選擇該溫度檔進行測定。1.5.5無機磷測定采用磷鉬酸氨比色法。先做出標準曲線,然后再進行發酵液中無機磷的測定。測定中發酵液時需稀釋100倍再進行測定。2結果與討論2.1酵母大量增值所導致的主要矛盾由圖1、圖2可以看到,麥汁發酵過程中,在發酵初期酵母增值過程中,鉀、鈉、鈣、鎂離子量均不斷減小。在發酵后期,一價離子量增加,二價離子則未有明顯變化。在發酵起始酵母大量增值,因而需要大量離子,導致對上述離子的大量吸收。隨著發酵液中還原糖、氨基酸等營養物質的減少,對酵母有害物質的增加積累,酵母活力大大降低,并且逐漸衰老。從而部分離子從細胞內向細胞外擴散。滲出的離子主要是鉀、鈉離子,而且從量上看主要是鉀離子。二價離子則幾乎未有滲出。2.2總酸和總酸發酵是麥魚總酸的前提保證此實驗培養溫度為20℃,每隔6h搖動一次。在發酵過程中,pH值始終在不斷下降,總酸在達到最大值后也開始下降,無機磷也因酵母的吸收而不斷下降。麥汁中,磷酸鹽類是構成總酸的重要部分。由于生長的需要,磷酸類鹽被酵母不斷吸收利用,因而總酸的增加必然是酵母分泌有機酸引起的。所以起始時總酸以磷酸類鹽為主,隨著發酵的進行有機酸的量逐漸增大。pH值的下降,說明氫離子的量在不斷增加。在發酵初期,這剛好與金屬離子的現象相反。從宏觀上看存在金屬離子與氫離子交換現象。這種交換是由許多離子載體,離子泵等共同作用的結果。最終達到了平衡狀態。2.3鎂離子對酵母降糖、降糖能力的影響由表1可以看出,鉀離子對酵母的生長有很大的促進作用,隨著鉀離子濃度的增大,酵母降糖速率加快,而且當鉀離子濃度達到0.1mol/L,即3.900g/L時仍不存在抑制作用。由資料知道,鎂離子作為多種酶的激活劑是細胞生長所必須的。但由表2可以看出,鎂離子濃度越大則對酵母的降糖抑制作用越明顯。因為蛋白胨中已經含有少量的鎂離子,當添加時已經超過了酵母的最適量。由表3可以看出,僅僅添加鈉離子的培養基降糖速率明顯低于完全培養基。而且隨著鈉離子濃度的增大,對酵母生長有一定的抑制。由表4鈣離子在0.01mol/L時降糖速率達到最大,但和空白相比仍較慢。顯然,鈣離子的添加就已經對酵母生長有一定的抑制作用。2.4鉀離子培養基的生長由表5可以看出,含鉀離子的培養基降糖最快,添加鈉離子、鈣離子和鎂離子的培養基還沒有空白生長得快。由此,鉀離子在細胞有氧呼吸中的作用是巨大的。而且通過與氯化鉀的對照可以看到并不是由于無機磷含量的增加引起的。3h+與k+的交換從實驗可以看出,酵母生長過程中鉀離子的作用最為明顯,而且在相當大濃度(0.1mol/L)時仍不會出現抑制現象;鎂離子也是必需的,但濃度稍大達到0.002mol/L時,就抑制酵母生長;鈉離子對酵母生長有輕微抑制作用,其主要作用是維持細胞滲透壓及電位平衡;鈣離子在很小的濃度就對細胞生長有抑制作用;無機磷既為酵母體內核酸及磷酸高能化合物的合成提供磷,又為酵母的生長提供了一個合適緩沖環境。通過實驗,推斷出酵母等微生物的發酵產酸機理:酵母發酵產酸,pH值的下降都與細胞的有氧呼吸緊密聯系。H+產生于有氧呼吸時的三羧酸循環,直接來源于呼吸鏈。呼吸鏈就象一個“質子泵”,總是不斷地將H+從線粒體膜內“泵”膜外。若產生的H+經過ATP酶復合體回到線粒體內生成水,則會帶動ATP的合成。這種動力主要是靠電化學梯度推動的。與此同時,部分H+也完全可能透過細胞膜進入發酵液中。這就是發酵時發酵液pH值下降的原因。H+的滲出并不是獨立進行的,而是和其他陽離子交換進行。例如,可移動離子載體A23187每轉運一個Ca2+或Mg2+時,伴隨著將2個H+運出細胞外。另外,Na+/H+交