Fermentacja zimnochłonników i kinetyka Monoda |…

Chmiele jako niewielka fabryka chemiczna

Saccharomyces cerevisiae, chmielowe i piekarnicze chmiele, przekształca cukier w etanol i dwutlenek węgla, gdy brak jest tlenu, ścieżką zwanej fermentacją alkoholową. Ogólna reakcja dla glukozy jest prosta stoichochemia, ale szybkość jej zachodzenia zależy od tego, jak szybko się rosną populacje chmieli, ponieważ więcej komórek oznacza większą przepustowość enzymatyczną.

C6H12O6  →  2 C2H5OH  +  2 CO2   (+ a small amount of ATP for the cell)
 glucose      ethanol       carbon dioxide

demo na żywo · powiązana symulacja● LIVE

Kinetyka Monoda: jak szybkość wzrostu zależy od koncentracji substancji chłonnej

Standardowy model zależności szybkości wzrostu mikroorganizmów od koncentracji substancji chłonnej (słodkorodnika) to równanie Monoda, analogia kinetyki enzymowej Michaelisa-Mentena: szybkość wzrostu rośnie naraźnicowo, gdy jest dużo słodkorodnika i osiąga maksimum μ_max, jak tylko słodkorodnik przestaje być czynnikiem ograniczającym.

μ(S) = μ_max * S / (K_s + S) μ = specyficzna szybkość wzrostu (1/hp) μ_max = maksymalna szybkość wzrostu przy zasaturaowanej substancji chłonnej S = słodkorodnik (substancja chłonna) koncentracja K_s = stała połowe-saturacji: S, dla którego μ = μ_max / 2 Do tego przypisany jest wzrost biomasy, dX/dt = μX — populacja jaszczurek rośnie eksponencjalnie, gdy jest dużo słodkorodnika — a zasycenie substancji chłonnej prowadzi do jej spadeku, dS/dt = -μX/Y_{x/s}, gdzie Y_{x/s} to współczynnik wydajności przeliczający zużyte substancje chłonne na nową masę komórkową. Produkcja etanolu i dwutlenku węgla jest związana z tym samym tempem zużycia słodkorodnika poprzez własne współczynniki wydajności, więc cała system — liczba komórek, substancja chłonna, etanol, dwutlenek węgla — ewoluje na podstawie trzech lub czterech związanych równań pierwszego rzędu.

mu(S) = mu_max * S / (K_s + S)

mu       = specific growth rate (1/hour)
mu_max   = maximum growth rate at saturating sugar
S        = sugar (substrate) concentration
K_s      = half-saturation constant: the S at which mu = mu_max / 2

Dlaczego fermentacja ma fazy

Uruchom model i cztery klasyczne fazy wydostają się samodzielnie, bez konieczności kodowania ich ręcznie: fazę opóźnienia, podczas której enzymy grzybów zaczną działać, fazę eksponencjalną, gdy cukru jest dużo i μ ≈ μ_max, fazę zwalniającą, gdy deplecja cukru sprowadza μ poprzez wyrażenie Monoda, oraz fazę stacjonarną/decline, gdy cukier jest wyczerpany lub alkohol osiągnie tyle, że stać się może zatruciem dla komórek grzybów — prawdziwe fermentacje samokontrolują się blisko 12-16% alkoholu o iletościowym, ponieważ alkohol denaturuje błonę komórkową grzybów i hamuje dalsze rozwój, co stanowi praktyczne limit na jaką moc może mieć napit fermentowany (nie destylowany).

Zawodniczy wpływ temperatury

Temperatura przyspiesza kinetykę enzymatyczną — zgodnie z relacją podobną do Arrheniusa, maksymalna prędkość wzrostu (μ_max) około podwójnie się zwiększa dla każdego podwyższenia 10°C w zakresie temperatury, w jakim yeast jest czynny — ale nie jest to prosto "cieplej jest szybsze na zawsze." Ale yeast działa dobrze w okolicy 18-24°C, lager yeast preferuje około 7-13°C, a ponad około 35-40°C proteinowe struktury yeast zaczynają się denaturować i wzrost ustępuje. Pivnikowie wybierają odmianę i zakres temperatur jako kompromis między prędkością fermentacji a substancjami smakowymi (esters, wyższe alkohole), które różne temperature powodują, że yeast produkować może jako produkt metabolizmu.

Czytanie krzywej CO2

Dokonując produkcji CO2, która jest stoichochemicznie związane z konsumpcją cukru, szybkość pępu — a nie cała objętość — stanowi bezpośredni proxy dla natychmiastowej stopki wzrostu μ(S)X. Szybkość pępu, która wzrasta, osiąga maksimum i potem maleje, to przejście z eksponencjalnego do stacjonarnego, które rozgrywa się w czasie rzeczywistym; fermentacja, która nigdy nie wydaje się przyspieszać ani odnowiać po wydaniu się skończyć, zwykle oznacza albo niedoznaczoną zapasowość cukru, lub drugą, wolniej fermentującą organizm (wilna gąszczanica czy bakterię), która zastępuje kulturę podstawową.

Często zadawane pytania

Dlaczego fermentacja zatrzymuje się sama w sobie?

Dwa powody na podstawie modelu Monoda: cukier (substrat) jest deplegowany, co prowadzi do spadku stopnia wzrostu mu(S) ku zero gdy S zbliża się do zera, a kumulowany etanol staje się tóksyczny dla gąselek, odbijając mu_max. W rzeczywistych fermentacjach zazwyczaj zatrzymuje się ze względu na kombinację obu powodów, któryikolwiek z nich zaczyna działać pierwszy.

Czy większa ilość gąsekłek przyspiesza zakończenie fermentacji?

Do pewnego momentu — większa początkowa populacja (X0) osiąga to samo sumaryczne zużycie cukru wcześniej, ponieważ dX/dt = mu*X skaliuje się z X. Ale po pewnym stopniu prędkości fermentacji, korzyści zaczynają się płaszczyć, ponieważ maksymalna prędkość wzrostu mu_max i dostępne sumaryczne cukry, a nie liczba początkowych komórek, ustawiają ostateczny limit zarówno dla szybkości, jak i wydajności.

Dlaczego cieplejsze temperatury przyspieszają fermentację, ale ryzykują off-flavory?

Wysoka temperatura podnosi mu_max, ponieważ kinetyka enzymatyczna zwiększa się ze wzrostem temperatury, co prowadzi do szybszego zużycia cukru. Ale gąsekłki również produkują więcej esterów i alkoholów fuselowych jako boczny produkt szybszej metabolizacji, co jest powodem dla tego, że producenci piwa utrzymują temperaturę w skrajnie ograniczonym zakresie, a nie prosto maksymalizują ją.

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Fermentation Simulator i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.

▶ Otwórz symulację Fermentation Simulator

Symulator fermentacji: kinetyka Monoda, rosnące bakterie i wydajność etanolu