啤酒酵母生長(zhǎng)過(guò)程中主要離子的作用

作為母乳喂養(yǎng)的重要養(yǎng)分，陰離子可以用作蛋白質(zhì)的功能成分，如酶的輔助組分；雖然它對(duì)祖母的繁殖沒(méi)有必要，但它可以促進(jìn)母系的生長(zhǎng)。在酵母生長(zhǎng)過(guò)程中,若缺乏了離子則代謝就會(huì)受到抑制。對(duì)各種離子的作用已有較為成熟的認(rèn)識(shí):鉀離子促進(jìn)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(xì)胞滲透壓的維持有關(guān);鈣離子對(duì)細(xì)胞的透性產(chǎn)生影響,還對(duì)培養(yǎng)基中的磷酸鹽含量有影響,同時(shí)鈣離子也是一些酶的激活劑。無(wú)機(jī)磷是細(xì)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(yǎng)基緩沖性的主要物質(zhì)。上述研究代表的是共性。本文針對(duì)從發(fā)酵過(guò)程中離子對(duì)啤酒酵母代謝的影響,而且主要考察常量元素對(duì)與啤酒生產(chǎn)密切相關(guān)的酵母的影響,及各種離子的合理濃度。大多數(shù)好氧微生物的生長(zhǎng)都伴隨著pH的下降和總酸的增加,而目前對(duì)發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)酸機(jī)理還未完全搞清。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)酵母生長(zhǎng)過(guò)程中各種離子的合理濃度進(jìn)行考察,并找出直接影響總酸及pH值的因素,以利于對(duì)發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)酸機(jī)理進(jìn)一步進(jìn)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(tuán)提供。啤酒酵母:遼寧建平松林啤酒集團(tuán)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(duì)苯二酚。1.3主要設(shè)備UV-754分光光度計(jì),上海第三分析儀器廠;電感耦合等離子質(zhì)譜儀惠普ICP-4500,惠普公司。1.4金屬離子檢測(cè)麥汁發(fā)酵實(shí)驗(yàn)方法:從糖化車(chē)間取原麥汁直接經(jīng)高壓鍋120℃左右15~20min,冷卻后除去其中的沉淀,調(diào)至11Bx,pH值調(diào)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(yǎng)溫度為18℃。單因素實(shí)驗(yàn)方法:在只含有葡萄糖、蛋白胨、無(wú)機(jī)磷及氨的培養(yǎng)基中添加所需要的金屬離子,pH值調(diào)至5.5~5.6后,121℃殺菌20min。接種量為1%,在22℃下?lián)u床培養(yǎng)。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(yǎng)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(cè)方法1.5.1糖轉(zhuǎn)化試驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn),及各種離子最適量對(duì)比試驗(yàn)中采用了3,5-二硝基水楊酸法比色測(cè)定,在磷的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中采用了費(fèi)林試劑法。1.5.2鉀、鈉、鈣、鎂的測(cè)定原子發(fā)散光譜法。將發(fā)酵液10kr/min離心,根據(jù)每種離子的大致含量用去離子水作適當(dāng)稀釋后直接進(jìn)樣測(cè)定。1.5.3酸測(cè)定取50mL除氣發(fā)酵液,用NaOH滴定至pH值為9時(shí)消耗0.1mol/L的NaOH的毫升數(shù)。1.5.4ph測(cè)量先測(cè)量溫度后,直接用PHS-3C型精密pH計(jì)選擇該溫度檔進(jìn)行測(cè)定。1.5.5無(wú)機(jī)磷測(cè)定采用磷鉬酸氨比色法。先做出標(biāo)準(zhǔn)曲線,然后再進(jìn)行發(fā)酵液中無(wú)機(jī)磷的測(cè)定。測(cè)定中發(fā)酵液時(shí)需稀釋100倍再進(jìn)行測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1酵母大量增值所導(dǎo)致的主要矛盾由圖1、圖2可以看到,麥汁發(fā)酵過(guò)程中,在發(fā)酵初期酵母增值過(guò)程中,鉀、鈉、鈣、鎂離子量均不斷減小。在發(fā)酵后期,一價(jià)離子量增加,二價(jià)離子則未有明顯變化。在發(fā)酵起始酵母大量增值,因而需要大量離子,導(dǎo)致對(duì)上述離子的大量吸收。隨著發(fā)酵液中還原糖、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的減少,對(duì)酵母有害物質(zhì)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(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外擴(kuò)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(jià)離子則幾乎未有滲出。2.2總酸和總酸發(fā)酵是麥魚(yú)總酸的前提保證此實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)溫度為20℃,每隔6h搖動(dòng)一次。在發(fā)酵過(guò)程中,pH值始終在不斷下降,總酸在達(dá)到最大值后也開(kāi)始下降,無(wú)機(jī)磷也因酵母的吸收而不斷下降。麥汁中,磷酸鹽類是構(gòu)成總酸的重要部分。由于生長(zhǎng)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(jī)酸引起的。所以起始時(shí)總酸以磷酸類鹽為主,隨著發(fā)酵的進(jìn)行有機(jī)酸的量逐漸增大。pH值的下降,說(shuō)明氫離子的量在不斷增加。在發(fā)酵初期,這剛好與金屬離子的現(xiàn)象相反。從宏觀上看存在金屬離子與氫離子交換現(xiàn)象。這種交換是由許多離子載體,離子泵等共同作用的結(jié)果。最終達(dá)到了平衡狀態(tài)。2.3鎂離子對(duì)酵母降糖、降糖能力的影響由表1可以看出,鉀離子對(duì)酵母的生長(zhǎng)有很大的促進(jìn)作用,隨著鉀離子濃度的增大,酵母降糖速率加快,而且當(dāng)鉀離子濃度達(dá)到0.1mol/L,即3.900g/L時(shí)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(xì)胞生長(zhǎng)所必須的。但由表2可以看出,鎂離子濃度越大則對(duì)酵母的降糖抑制作用越明顯。因?yàn)榈鞍纂酥幸呀?jīng)含有少量的鎂離子,當(dāng)添加時(shí)已經(jīng)超過(guò)了酵母的最適量。由表3可以看出,僅僅添加鈉離子的培養(yǎng)基降糖速率明顯低于完全培養(yǎng)基。而且隨著鈉離子濃度的增大,對(duì)酵母生長(zhǎng)有一定的抑制。由表4鈣離子在0.01mol/L時(shí)降糖速率達(dá)到最大,但和空白相比仍較慢。顯然,鈣離子的添加就已經(jīng)對(duì)酵母生長(zhǎng)有一定的抑制作用。2.4鉀離子培養(yǎng)基的生長(zhǎng)由表5可以看出,含鉀離子的培養(yǎng)基降糖最快,添加鈉離子、鈣離子和鎂離子的培養(yǎng)基還沒(méi)有空白生長(zhǎng)得快。由此,鉀離子在細(xì)胞有氧呼吸中的作用是巨大的。而且通過(guò)與氯化鉀的對(duì)照可以看到并不是由于無(wú)機(jī)磷含量的增加引起的。3h+與k+的交換從實(shí)驗(yàn)可以看出,酵母生長(zhǎng)過(guò)程中鉀離子的作用最為明顯,而且在相當(dāng)大濃度(0.1mol/L)時(shí)仍不會(huì)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象;鎂離子也是必需的,但濃度稍大達(dá)到0.002mol/L時(shí),就抑制酵母生長(zhǎng);鈉離子對(duì)酵母生長(zhǎng)有輕微抑制作用,其主要作用是維持細(xì)胞滲透壓及電位平衡;鈣離子在很小的濃度就對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)有抑制作用;無(wú)機(jī)磷既為酵母體內(nèi)核酸及磷酸高能化合物的合成提供磷,又為酵母的生長(zhǎng)提供了一個(gè)合適緩沖環(huán)境。通過(guò)實(shí)驗(yàn),推斷出酵母等微生物的發(fā)酵產(chǎn)酸機(jī)理:酵母發(fā)酵產(chǎn)酸,pH值的下降都與細(xì)胞的有氧呼吸緊密聯(lián)系。H+產(chǎn)生于有氧呼吸時(shí)的三羧酸循環(huán),直接來(lái)源于呼吸鏈。呼吸鏈就象一個(gè)“質(zhì)子泵”,總是不斷地將H+從線粒體膜內(nèi)“泵”膜外。若產(chǎn)生的H+經(jīng)過(guò)ATP酶復(fù)合體回到線粒體內(nèi)生成水,則會(huì)帶動(dòng)ATP的合成。這種動(dòng)力主要是靠電化學(xué)梯度推動(dòng)的。與此同時(shí),部分H+也完全可能透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入發(fā)酵液中。這就是發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液pH值下降的原因。H+的滲出并不是獨(dú)立進(jìn)行的,而是和其他陽(yáng)離子交換進(jìn)行。例如,可移動(dòng)離子載體A23187每轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)Ca2+或Mg2+時(shí),伴隨著將2個(gè)H+運(yùn)出細(xì)胞外。另外,Na+/H+交