Mayada şeker fermantasyonu | Çeşit çeşit şekerler
Mayada Şeker Fermentasyonunun Etkileri
Maya, çeşitli şeker türlerini fermente edebilir ve biyoimpedans kullanarak mayanın ne kadar aktif olduğunu ölçebilirsiniz. Farklı etanol veya karbondioksit konsantrasyonlarının maya büyümesi üzerindeki etkisini de test edebilirsiniz. Bu makalede glikoz, etanol ve karbondioksitin etkileri tartışılmaktadır. Makalemizi okuyarak şeker fermantasyonu hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz. Karbondioksitin maya büyümesi üzerindeki etkisini merak ediyorsanız, bu süreç hakkında daha fazla bilgi edinmek için okumaya devam edin.
Mayada şeker fermantasyonunun biyoimpedans ölçümü
Bir glikoz çözeltisinin fermantasyon hızı, maya konsantrasyonunun bir fonksiyonudur. Aksine, şeker konsantrasyonundan bağımsızdır. Bunu açıklamak için öğrencilerin önce glikozun küçük bir molekül olduğunu, enzimlerin ise büyük molar kütlelere sahip olduğunu (genellikle 100.000 g/mol’den büyük) anlamaları gerekir. Şeker ve enzim arasındaki büyük moleküler oran, enzim üzerindeki her bölgenin glikoz tarafından işgal edildiği anlamına gelir. Bu, şeker konsantrasyonunu ikiye katlamanın veya yarıya indirmenin ilk fermantasyon hızında anlamlı bir fark yaratmadığı anlamına gelir.
Maya süspansiyonu boyunca ölçülen elektrik akımı, hücrelerin biyolojik aktivitesine göre belirli modellere sahiptir. Maya kültürü ortamındaki glikoz konsantrasyonu, fermantasyon ve solunumun tezahürünü etkiler. Yazarlar, yeterli konsantrasyonda glukoz ve düşük glukoz konsantrasyonu içeren bir ortamda kültürlenen Saccharomyces cerevisiae hücreleri üzerinde biyoimpedans ölçümleri gerçekleştirdiler. Bulguları, aerobik ve anaerobik koşullar altında sulu maya süspansiyonlarının büyük ölçüde farklı elektriksel iletkenlik sigma değerleri gösterdiğini ortaya koydu.
Bu deney için, 50 ml YPD suyu içeren bir hücre kültürü şişesi, ml başına 104 yeni kültürlenmiş maya ile aşılandı. Şişe, bir odanın içine yerleştirilmiş kırmızı tabaka lazerler (670 nm) kullanılarak aydınlatıldı. Fermantasyon sürecini gözlemlemek için 3 mm’lik bir gözlem penceresi içine monte edilmiş yüksek hızlı bir kamera ve yatay bir mikroskop kullanıldı. Ardışık film karelerinin çapraz korelasyonu, akış alanlarının hız vektörlerini verdi. Maya hücreleri, akışı görselleştirmeye izin verecek kadar ışık saçtı.
Maya hücreleri, fermantasyon tanklarının içinde kabarcıklar taşır. Bunun nedeni, maya hücrelerinin birbirine yapışması ve balonun fermantasyon ortamı içinde taşınmasıdır. Bu baloncuk hiçbir zaman doğrudan gözlemlenmemiş olsa da, maya hücrelerinin bir baloncuk taşıması muhtemeldir. Bu fenomen aynı zamanda kabarcık difüzyonu olarak da bilinir. Fermantasyon ortamında kabarcık oluşumu, maya hücrelerinin oluşumunu destekler. Kabarcıklar maya hücreleri tarafından taşınır ve fermantasyon ortamındaki CO2 konsantrasyonunun ana nedenidir.
maya büyümesi üzerindeki etkileri
Glikoz konsantrasyonu mayanın hücre bölünme hızını etkiler ve etanol verimini de etkileyebilir. Bununla birlikte, beslemeli kesikli kültürler, daha yüksek glikoz konsantrasyonlarına rağmen daha iyi hücre konsantrasyonları üretir. Bu, yüksek glikoz konsantrasyonlarında hücre canlılığını azaltan ozmotik etkiden kaynaklanır. Bu, biracılık endüstrisi için önemli sonuçları olan ilginç bir sonuçtur. Ayrıca, bu sonuçlar şekerden etanol üretmek için kılavuzlar sağlayabilir.
Glikoz az olduğunda, maya hücreleri metabolizmalarını fermantasyondan solunuma çevirebilir. Glikoz tükendiğinde, glikoz solunum moduna geçebilir. Bu süreç, bir dizi baskılayıcı ve aktivatörü düzenleyen Snf1 protein kinaz tarafından düzenlenir. Bununla birlikte, glikoz konsantrasyonu Snf1’in aktivitesini düzenler. Optimum glikoz seviyelerinde, Snf1, maya hücrelerinde transkripsiyon baskısını inhibe ederek, transkripsiyon baskılayıcı Migl’in DNA’ya bağlanmasına izin verir.
Crabtree etkisi de geçerli bir gözlemdir. Batch ve kemostat kültürlerinde, zamana karşı salınan CO2 kütlesi benzerdir. Bu nedenle ortamdaki glikoz miktarının fermantasyon hızını etkilemesi olası değildir. Bu nedenle şekerin enzime oranı önemlidir ve öğrencilerin anlayacağı şekilde açıklanabilir. Basit bir ifadeyle, glikoz küçük bir molekülken, enzimler büyük molar kütlelere (genellikle 100.000 g/mol’den büyük) sahip büyük proteinlerdir. Ek olarak, enzimlerdeki şekerin yüksek moleküler kütlesi, mevcut her enzim bölgesinin şeker tarafından işgal edildiği anlamına gelir. Bu büyük moleküler kütle, glikoz konsantrasyonunun ikiye katlanması veya yarıya indirilmesinin ilk fermantasyon hızını etkilemeyeceği anlamına gelir.
Schizosaccharomyces pombe’nin çalışmasında araştırmacılar, glikoz konsantrasyonunun solunuma bağlı hücre bölünmesi üzerindeki etkisini incelediler. Temel elektron transfer zinciri bileşenlerinin gen silinmesinin hücre bölünmesini engellediğini bulmuşlardır. Çalışma ayrıca, antimisin A’nın, S. pombe büyümesinin oksidatif inhibisyonunu tersine çevirmek için ana enzim olan Kompleks III’ü inhibe ettiğini de bulmuştur. Bu sonuç, %0,1’den daha az glikoz içeren bir ortamdaki glikoz konsantrasyonlarının solunuma bağlı hücre bölünmesi için gerekli olduğu fikrini desteklemektedir.
Etanol konsantrasyonunun maya büyümesi üzerindeki etkileri
Alkollü fermantasyon, mayayı çeşitli biyolojik ve çevresel streslere maruz bırakır. Endüstriyel fermantasyonda, karmaşık sinyal iletimi, genomik ve stres tepki mekanizmaları, yaygın olarak kullanılan maya suşlarını karakterize eder. Etanolün maya üzerindeki etkileri özellikle plazma zarı üzerinde belirgindir. Sonuç olarak, sağlamlığını artırmak için mayanın etanole nasıl tepki verdiğini anlamak çok önemlidir. Bu makale, mayanın etanol stresine uyum sağlama mekanizmalarına genel bir bakış sağlayacaktır.
Maya büyümesinin etanol kaynaklı inhibisyonu için önerilen ilk mekanizma, hücresel zarların bozulmasını içerir. Etanol, mayanın spesifik büyüme hızını ve hücre hacmini azaltmasına neden olur. Yüksek etanol konsantrasyonları hücre canlılığını azaltır ve apoptoz insidansını artırır. Etanolün maya üzerindeki etkisi, metabolizmasını ve makromoleküler biyosentezini etkileyen maya hücre zarının lipid bileşimini değiştirmeyi içerir. Anahtar glikolitik enzimleri inhibe eder. Aynı zamanda proteinleri denatüre eder.
Anaerobik fermantasyon sırasında eksojen etanolün maya büyümesi üzerindeki etkisi, endojen etanolden daha fazlaydı. Beş döngü iklimlendirme, 60 g/L’lik bir başlangıç eksojen etanol konsantrasyonu altında etanol verimini %6’dan %30’a çıkardı. Eksojen etanolün de SEP seviyelerini arttırdığı gösterilmiştir. Bu çalışma, fermantasyonun verimliliğini artırma potansiyeline sahiptir.
Bu çalışma, etanol konsantrasyonunun vahşi tip ve mutant maya büyümesi üzerindeki etkilerini inceledi. Daha yüksek etanol konsantrasyonları (50 ve 70 g/L) mutantların büyüme hızını engellerken, daha düşük konsantrasyonlar üretim hızını artırdı. Etanol konsantrasyonunun, maya büyümesinin ana inhibitörü olduğu bulundu. Etanol konsantrasyonu, artan substrat konsantrasyonu ile azaldı. Yabani tip maya konsantrasyonu, %65’lik bir etanol verimine ulaştı ve vahşi tip ve mutant maya büyümesi arttıkça oran azaldı.
Karbondioksit konsantrasyonunun maya büyümesi üzerindeki etkileri
Bu çalışmada artan CO2 konsantrasyonunun mutant ve yabani tip maya büyümesi üzerindeki etkilerini inceledik. PDC1 mutantı, daha yüksek CO2 konsantrasyonlarına maruz kaldığında neredeyse hiç CO2 üretmedi. Piruvat dekarboksilaz geninin düşük aktivitesi, CO2 üretiminin azalmasından sorumlu olabilir. Sonuç olarak, maya popülasyonunun nihai CO2 konsantrasyonunu ölçtük. CO2 konsantrasyonunun ve glikoz konsantrasyonunun ortalama değeri, karbondioksit konsantrasyonlarını hesapladı.
Yüksek CO2 seviyelerinin ekmek mayasının büyümesi üzerindeki etkileri etanol ve alkolünkine benzerdi. Her iki madde de aktivitelerini azaltarak maya gelişimini engellemiştir. Buna karşılık, düşük karbondioksit konsantrasyonu etkileri o kadar belirgin değildi. %50 CO2 konsantrasyonu, alkollü fermantasyonla ilgili diğer çalışmalarla tutarlı olarak fırıncı mayasının büyümesini engelledi. Ayrıca, yüksek karbondioksit konsantrasyonu diğer Saccharomyces dışı türlerin büyümesini engelledi.
Pişirme ve mayalamada kullanılan yaygın bir şeker olan sükroz konsantrasyonu, en yüksek karbondioksit konsantrasyonuna sahipti. Yüksek CO2 konsantrasyonlarında ekmek ve diğer pişirme elemanları en yüksek oranda yükselir. Bu çalışmada mutant maya kullanılmamış; mutasyona uğramamış maya hiçbir aykırı değer üretmedi. Ancak glikoz konsantrasyonu sükroz ile aynı olduğunda CO2 seviyesi daha düşüktü.
Bir sonraki çalışmada, aynı deneyi bir solüsyondaki şeker miktarını azaltarak tekrarlamaya çalışacağız. 20.0 gr şeker ve 7.0 gr Red Star (r) Quick-Rise Maya içeren bir solüsyon kullanacağız. Bundan sonra, çözelti tam güçte 15 saniye mikrodalgada tutulmalıdır. Çözeltinin sıcaklığı 110 ila 118 o F arasında olmalıdır
. Aşırı durulaştırmanın maya büyümesi üzerindeki etkileri
Şarabın aşırı arıtılması maya büyümesini engelleyebilir. Üzüm suyunda Kloeckera apiculata üzerine yapılan bir araştırma, 10 ve 15 °C sıcaklıklarda geliştiğini ve daha düşük sıcaklıklarda daha uzun süre hayatta kaldığını buldu. Öte yandan, yüksek sıcaklıklar, daha yüksek alkollerin büyümesini teşvik eder ve karboksilik asit ve esterlerin oluşumunu engeller. Fermantasyon oksijen tarafından tamamen engellenemezken, yüksek sıcaklıklar sıkışmış fermantasyona neden olabilir.
Yüksek şeker konsantrasyonlarının ve asitleştirmenin birleşik önleyici etkileri, büyümenin yeniden başlamasına izin vermek için maya sitoplazmasının azaltılmasını gerektirir. Asitleştirici bileşiklerin konsantrasyonunun arttırılması, maya kaybettiği hidrojen iyonlarını yenileyemediği için büyümenin devam etmesine izin vermeyecektir. Maya, yüksek etanol konsantrasyonlarıyla başa çıkabilir, ancak etanolden gelen gelişmiş proton akışını tolere edemez. Ek olarak, asetik asit bakterileri, sitoplazmanın pH’ını düşürerek maya aktivitesini karmaşıklaştırabilir. Asetik asit bakterileri, S. cerevisiae için ölümcül koşullara neden olabilir.
cerevisiae’deki toksin üreten hücreler, onları kükürt dioksitin zararlı etkilerinden koruyan bir toksine karşı oldukça hassastır. Toksin üreten maya türleri, kükürt dioksit, sıcaklık kontrolü ve bentonit varlığı ile baskılanabilir. Şarap yapımında pH seviyesi iki ppm’den fazla yükseldiğinde toksin üretimi artar.
Bununla birlikte, aşırı arıtılmış meyve sularıyla ilgili riskler, fermantasyonun çok yavaş başlamasına neden olabilecek bir fermantasyon başlatmalarını zorlaştırır. Şarap imalathaneleri, bu riski azaltmak için mayayı bir ağ torba içinde kapsüllemeyi düşünebilir. Bu yöntem, mayanın, fermantasyon karışımının tüm şeker içeriğini tüketme riski olmadan ağ torba içinde büyümesini sağlar. Kapsüllendikten sonra maya, maya hücrelerinin tutuklanması veya kaybı riski olmadan fermantasyon sürecini tamamlayacaktır.