Ζύμωση λακτόζης και ζύμης

Μοντελοποίηση ζύμωσης λακτόζης και ζύμης Η ζύμωση

λακτόζης και ζύμης είναι μια χημική αντίδραση όπου η ζάχαρη και η μαγιά αλληλεπιδρούν παρουσία άνθρακα. Οι συγκεντρώσεις ζάχαρης και μαγιάς συσχετίζονται άμεσα με τον ρυθμό ζύμωσης. Αυτό το άρθρο θα συζητήσει τη μοντελοποίηση της ζύμωσης λακτόζης και ζυμομύκητα στο CWP, τα αποτελέσματα του αριθμού των κυττάρων όλων των ειδών που χρησιμοποιούν διαφορετικές πηγές άνθρακα και τις συγκεντρώσεις γαλακτικού οξέος και οξικού οξέος. Αυτή η αντίδραση είναι πολύπλοκη και απαιτεί προσεκτική μοντελοποίηση για την ακριβή πρόβλεψη της έκβασής της.

Μοντελοποίηση ζύμωσης λακτόζης και ζύμης

Για να κατανοήσετε τη σχέση μεταξύ των ενζύμων και της ζύμωσης σακχάρων, πρέπει να κατανοήσετε την έννοια της ενζυμικής κατάλυσης. Η λακτόζη ζυμώνεται με διάσπαση σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Επομένως, η καμπύλη ζύμωσης της λακτόζης και της σακχαρόζης είναι πολύ παρόμοια. Ας αναλύσουμε μερικές από τις ιδιότητές τους για να κατανοήσουμε επαρκώς τον ρόλο της λακτάσης και της μαγιάς στη ζύμωση αυτών των σακχάρων. Μερικά παραδείγματα ενζύμων είναι η σακχαράση και η λακτάση.

Κατά τη διάρκεια της αρχικής φάσης ζύμωσης, το L. casei προστέθηκε στον ορό γάλακτος και συμπληρώθηκε με εκχύλισμα ζύμης. Καθώς η συγκέντρωση γαλακτικού οξέος στον ορό γάλακτος ήταν αρχικά μη μηδενική, ένα μοντέλο μπορούσε να προσομοιώσει με ακρίβεια τη διαδικασία ζύμωσης. Το Σχήμα 7δ δείχνει μια σύγκριση μεταξύ αναφερόμενων και δεδομένων προσομοίωσης. Το μοντέλο αναπαρήγαγε με ακρίβεια τα προφίλ γαλακτικού οξέος, βιομάζας και γαλακτικού οξέος κατά τη διάρκεια των πρώτων δέκα ωρών.

Γενικά, οι μούχλες αναστέλλονται καλύτερα από βιοπροστατευτικές καλλιέργειες από τη ζύμη. Οι βιοπροστατευτικές καλλιέργειες μπορεί επίσης να αυξήσουν τη διαθεσιμότητα οξυγόνου στο σύστημα, με αποτέλεσμα την αυξημένη ανάπτυξη ζυμομυκήτων. Αυτή η μελέτη διεξήχθη χρησιμοποιώντας ένα ανασυνδυασμένο κροκιδωτικό στέλεχος S. cerevisiae. Το μοντέλο προβλέπει τον ρυθμό ανάπτυξης της ζύμης κάτω από διάφορες περιβαλλοντικές και γενετικές συνθήκες. Τελικά, αυτά τα μοντέλα θα πρέπει να παρέχουν πιο ακριβείς προβλέψεις για τη βελτιστοποίηση της ζύμωσης.

Το μοντέλο έχει αρκετές υποθέσεις σχετικά με τα ένζυμα και τις συγκεντρώσεις σακχάρων. Η μοριακή μάζα των ενζύμων και του σακχάρου είναι ανεξάρτητες, αλλά σχετίζονται. Ως εκ τούτου, ο κορεσμός των ενζύμων μπορεί να εξηγηθεί στους μαθητές με απλό τρόπο. Για παράδειγμα, η γλυκόζη είναι ένα μικρό μόριο και τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες με μεγάλες μοριακές μάζες, συνήθως μεγαλύτερες από 100.000 g/mol. Έτσι, ο διπλασιασμός της συγκέντρωσης των σακχάρων ή των ενζύμων δεν μπορεί να κάνει σημαντική διαφορά στον αρχικό ρυθμό ζύμωσης.

Μοντελοποίηση ζύμωσης λακτόζης και ζύμης σε CWP

Αυτή η μελέτη διερεύνησε την επίδραση της συγκέντρωσης CWP στην ικανότητα μετατροπής της λακτόζης μιας μικτής καλλιέργειας ζυμομύκητα. Χρησιμοποιήθηκαν ένα στέλεχος Κ. marxianus Υ00963 και ένα ξηρό S. cerevisiae τύπου Levuline FB. Η αναλογία των αριθμών κυττάρων ορίστηκε σε 1:1. Μετρήθηκαν οι ρυθμοί βιομετατροπής και η υπολειπόμενη περιεκτικότητα σε λακτόζη. Το μοντέλο προέβλεψε την ικανότητα μετατροπής της λακτόζης στην ίδια συγκέντρωση CWP.

Οι βέλτιστες συνθήκες ήταν 15% διάλυμα CWP, ρΗ 5,0 και συγκέντρωση εμβολίου 5%. Δύο σειρές πρόσθετων πειραμάτων επιβεβαίωσης επικύρωσαν το μοντέλο και διαπίστωσαν την εγκυρότητά του. Αυτά τα πειράματα διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας ένα κεντρικό σύνθετο σχέδιο για τη βελτιστοποίηση της ζύμωσης κατά παρτίδες CWP. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές ήταν η συγκέντρωση CWP και η αναλογία ζύμης. Η εξαρτημένη μεταβλητή εξόδου ήταν η συγκέντρωση αιθανόλης.

Ο κατασκευασμένος βιοκαταλύτης είχε σχεδιαστικά χαρακτηριστικά προσαρμοσμένα στην παραγωγή αιθανόλης από γαλακτοκομικά απόβλητα. Κατασκευάστηκε με ένα πλήρως συνθετικό οπερόνιο που βελτιστοποιεί τη μετάφραση δύο πρωτεϊνών. Μπορεί να παράγει σημαντική ποσότητα αιθανόλης χωρίς αποστειρωμένο WP. Αυτή η μελέτη δείχνει ότι η ζύμωση CWP μπορεί να πραγματοποιηθεί επιτυχώς χρησιμοποιώντας μηχανικά E. coli.

Στα πειράματα, οι συγκεντρώσεις του CWP και η αναλογία θετικής στη λακτόζη ζυμομύκητα στη μικτή καλλιέργεια βελτιστοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας κεντρικά σύνθετα σχέδια. Η εξαρτημένη μεταβλητή ήταν η παραγωγή αιθανόλης. Αυτό το πειραματικό σύνολο περιλάμβανε δέκα αντίγραφα, το καθένα με διαφορετικούς συνδυασμούς των πέντε ανεξάρτητων μεταβλητών. Κατά τη διάρκεια κάθε διαδρομής, τα κεντρικά σημεία επαναλαμβάνονταν για να προσδιοριστεί η σημασία τους. Περαιτέρω, τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν χρησιμοποιώντας ανάλυση διακύμανσης (ANOVA) για να ελεγχθεί η ευρωστία του μοντέλου.

Η συγκέντρωση τόσο της ζάχαρης όσο και της μαγιάς επηρεάζει τον ρυθμό ζύμωσης, αλλά η προσοχή του ενζύμου είναι ανεξάρτητη. Οι μαθητές πρέπει να κατανοήσουν ότι η γλυκόζη είναι ένα μικροσκοπικό μόριο σε σύγκριση με το ένζυμο, το οποίο έχει μοριακή μάζα περίπου 100.000 g/mol. Εξαιτίας αυτού, ο διπλασιασμός ή η μείωση στο μισό της συγκέντρωσης σακχάρου δεν επηρεάζει σημαντικά τον αρχικό ρυθμό της αντίδρασης.

Αποτελέσματα του αριθμού των κυττάρων όλων των ειδών σε διαφορετικές πηγές άνθρακα

Οι μετρήσεις κυττάρων όλων των ειδών αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια της ζύμωσης με λακτόζη και ζυμομύκητες χρησιμοποιώντας διάφορες πηγές άνθρακα. Σε αυτή την ανάλυση, διερευνήσαμε τις επιδράσεις διαφορετικών πηγών άνθρακα στην ανάπτυξη του S. cerevisiae. Ενώ οι ζύμες μπορούν να αναπτυχθούν χωρίς άνθρακα, μπορούν να διατηρήσουν τους ρυθμούς ανάπτυξής τους χρησιμοποιώντας γαλακτικό οξύ ως εναλλακτική πηγή ενέργειας.

Οι ζυμομύκητες που ζυμώνουν λακτόζη και οι ζύμες σε διαφορετικές πηγές άνθρακα παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση στον αριθμό των κυττάρων. Το B. claussenii ξεκινά τη διαδικασία ζύμωσης μετά από παρατεταμένη προσαρμογή στο μέσο. Άλλα είδη ξεκινούν τη διαδικασία ζύμωσης μετά την κυτταρική αναπαραγωγή. Αν και αυτά τα ευρήματα δεν είναι οριστικά, υποδεικνύουν διαφορές που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη σε μελλοντικές μελέτες.

Εκτός από τη γλυκόζη και την αιθανόλη, όλα τα είδη παρήγαγαν διάφορα άλλα προϊόντα. Τα δύο είδη που ζυμώνουν λακτόζη την κατανάλωναν πιο γρήγορα, με υψηλότερη συγκέντρωση αιθανόλης από αυτές που προέρχονται από διαφορετικές πηγές άνθρακα. Ωστόσο, όταν αυτές οι πηγές άνθρακα συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες αποδόσεις τους, αποκάλυψαν διαφορές στην απόδοση αιθανόλης. Ορισμένα είδη κατανάλωναν λακτόζη μετά από μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από άλλα, γεγονός που δείχνει ότι οι ρυθμοί ζύμωσής τους διέφεραν.

Τα προϊόντα απομόνωσης ζυμομύκητα αναπτύχθηκαν σε ζωμό που περιείχε πεπτόνη, NaCl, ερυθρό φαινόλης, απεσταγμένο νερό και δέκα γραμμάρια υδατανθράκων. Οι υδατάνθρακες ήταν είτε δεξτρόζη, γαλακτόζη ή φρουκτόζη. Οι συγκεντρώσεις των υδατανθράκων επιλέχθηκαν για να παρέχουν ένα ισορροπημένο περιβάλλον για την ανάπτυξη ζυμομυκήτων. Χρησιμοποιώντας ένα DEN-1B Grant-bio πυκνόμετρο, μετρήθηκε η κυτταρική πυκνότητα σε 18 δοκιμαστικούς σωλήνες phi.

Οι ζύμες και άλλοι οργανισμοί έχουν μια ποικιλία λιπιδίων, συμπεριλαμβανομένου του μονοκυτταρικού ελαίου. Οι ελαιώδεις ζύμες είναι ιδιαίτερα πλεονεκτικές επειδή μπορούν να προέρχονται από διάφορες πηγές άνθρακα. Οι ζύμες μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορα σάκχαρα και καρβοξυλικά οξέα βραχείας αλυσίδας. Το οξικό οξύ έδειξε την υψηλότερη παραγωγικότητα λιπιδίων και τη σύνθεση λιπαρών οξέων. Ωστόσο, τα περίεργα λιπαρά οξέα συσχετίστηκαν με χαμηλότερη ογκομετρική παραγωγικότητα λιπιδίων.

Τα αποτελέσματα του αριθμού των κυττάρων όλων των ειδών στη λακτόζη και της ζύμωσης ζύμης σε διαφορετικές πηγές άνθρακα μπορούν να αποκαλύψουν διαφορές στους ρυθμούς κατανάλωσης ζάχαρης και στους ρυθμούς ανάπτυξης μεταξύ των στελεχών. Αυτές οι αλλαγές στους ρυθμούς ανάπτυξης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό πηγών άνθρακα που παρουσιάζουν σημαντικές μειώσεις πυκνότητας. Τα ανώτερα και κατώτερα όρια απόφασης χρησιμοποιήθηκαν ως τιμές αποκοπής για να προσδιοριστεί εάν υπήρχε σημαντική διαφορά.

Αποτελέσματα συγκεντρώσεων γαλακτικού οξέος και οξικού οξέος στη ζύμωση λακτόζης και ζυμομύκητα

Για να εκτιμηθεί ο ρόλος των ετεροζυμωτικών ειδών στη ζύμωση λακτόζης και ζύμης, ερευνήσαμε τις πτητικές αρωματικές ενώσεις (VOCs) που παράγονται από βακτήρια γαλακτικού οξέος. Βρήκαμε ότι η συγκέντρωση βακτηρίων γαλακτικού οξέος επηρέασε την παρουσία διακετυλίου στο φρεσκοψημένο ψωμί. Αυτά τα βακτήρια παράγουν ακετοΐνη και διακετύλιο, που υπάρχουν σε ίχνη στο τελικό προϊόν.

Τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος είναι απαιτητικά στα τεχνητά μέσα. Η βέλτιστη θερμοκρασία για αυτά τα βακτήρια είναι γύρω στους είκοσι με τριάντα βαθμούς Κελσίου, ενώ τα θερμόφιλα βακτήρια ευδοκιμούν σε θερμοκρασίες πάνω από 15οC. Η καλύτερη θερμοκρασία για τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος για τη ζύμωση της λακτόζης είναι μεταξύ 18 και 22οC, όπου τα είδη λευκονοστόκ ξεκινούν τη ζύμωση. Τα βακτήρια που παράγουν οξικό οξύ απαιτούν οξυγόνο για να αναπτυχθούν.

Ο ρυθμός του γαλακτικού οξέος και του οξικού οξέος στη ζύμωση λακτόζης και ζύμης μπορεί να μελετηθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους προζύμωσης. Η θερμοκρασία στην οποία αναπτύσσεται το L. mesenteroides είναι 7,5 βαθμοί Κελσίου, όπου επιτυγχάνει οξύτητα 0,4 τοις εκατό μέσα σε δέκα ημέρες. Οι γαλακτοβάκιλλοι και οι πνευμονιόκοκκοι δεν μπορούν να αναπτυχθούν σε αυτή τη θερμοκρασία και η ζύμωση μπορεί να διαρκέσει έξι μήνες πριν είναι έτοιμο το τελικό προϊόν.

Τα βακτήρια που ευθύνονται για το γαλακτικό οξύ

Τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για τη ζύμωση του γαλακτικού οξέος ονομάζονται βακτήρια γαλακτικού οξέος, τα οποία είναι απαραίτητα για την παραγωγή και τη συντήρηση των τροφίμων. Σε αντίθεση με ορισμένα στελέχη ζύμης, η ζύμωση με γαλακτικό οξύ είναι σχετικά φθηνή και απαιτεί λίγη έως καθόλου θερμότητα. Τα τρόφιμα που παράγονται με αυτήν τη μέθοδο είναι πολύ ενεργειακά αποδοτικά και παρέχουν στον κόσμο μια πηγή τροφής υψηλής ποιότητας. Αυτά τα βακτήρια ευθύνονται για την εμφάνιση του γιαουρτιού και του ξινολάχανου.

Η μελέτη των καρβονυλικών ενώσεων σε προζύμωση από Streptococcus lactis subsp. Το diacetylactis παρήγαγε ακετολακτικό στο ίδιο μέσο. Οι Keen και Lindsay εξέτασαν επίσης το ρόλο των υποστρωμάτων άνθρακα στη ζύμωση της λακτόζης και της ζύμης. Κατά τη διάρκεια της έρευνάς τους, ανέπτυξαν επίσης μεθόδους χρωματογραφίας αερίου-υγρού για τον διαχωρισμό του διακετυλίου από την ακετοΐνη.

Παρόλο που οι γαλακτοβάκιλλοι και ο S. boulardii είναι πανταχού παρόντες, ήταν εκπληκτικά δύσκολο να απομονωθούν τα αποτελέσματά τους στο εργαστήριο. Μπορούν να προκαλέσουν ζύμωση από μόνα τους και όταν υπάρχουν, ενισχύουν τη δραστηριότητα των γαλακτοβακίλλων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η παρουσία του S. boulardii και των γαλακτοβακίλλων στη ζύμωση του γάλακτος θα αύξανε τις συγκεντρώσεις οξέος στο γάλα.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *