Кінетика біохімічних та мікробіологічних процесів

Кінетика біохімічних та мікробіологічних процесів.

Кінетика біохімічних та мікробіологічних процесів має ба­гато спільного тому, що обидві групи є суто Ферментативни­ми Процесами, тобто їх перебіг прискорюється Біокаталізаторами (ферментами, ензимами). Відміна лише в тому, що Біохімічними вважають ті процеси, які відбуваються за учас­тю ферментів самої харчової сировини або чистих препаратів і їх сумішей, Виділених з рослинного, тваринного чи мікробіологічного матеріалу. До Мікробіологічних відносять

процеси, що відбуваються за участю певних культур мікроор­ганізмів або їх фрагментів, які містять ферменти. Ці процеси мають дуже велике поширення в харчових виробництвах. На їх використанні засновано багато галузей харчопереробного комплексу.

У порівнянні з хімічними реакціями ферментативні мають значно складніший механізм. Швидкість їх перебігу залежить не тільки від концентрацій вихідної речовини (субстрату) і ферменту, від температури і тиску, а й від стану ферменту, сту­пеня його чистоти, від рН, впливу Активаторів та інгибіторів — речовин, що збільшують або зменшують активність фермен­ту, Та інших факторів.

Кінетичні закономірності цих реакцій враховують сучасні уявлення про складну структуру ферменту, його активного цен­тру та механізм його каталітичної дії. Сутність ферментативно­го каталізу ґрунтується на Теорії фермент-субстратного проміжного комплексу, Який може бути в стані термодинамічної рівноваги з вихідними речовинами (субстрат і фермент) і який незворотньо розкладається на продукти реакції з вивільненням ферменту. Це можна проілюструвати такою схемою:

k1

S+F ↔FS→F+Р,

k2

Де: S — субстрат;

F — Фермент;

FS — Проміжний фермент — субстратний комплекс;

Р — Продукт реакції;

K1 — константа швидкості утворення комплексу;

K2 — константа швидкості дисоціації комплексу.

Згідно закону діючих мас швидкості реакцій утворення та дисоціації фермент-субстратного комплексу будуть дорівню­вати:

V1 = K1[S][F]; V2 = K2[FS];

У стані рівноваги V1= V2, тоді константа рівноваги буде:

K=k1/k2= [FS]/ [S][F], Або K=fs/fS

Де: k – константа рівноваги4

[FS=Fs] – концентрація фермент-субстратного комплексу;

[F] = F – концентрація вільного ферменту;

[S]=S – концентрація субстрату.

Оскільки концентрація субстрату завжди є надлишковою по відношенню до концентрації ферменту, то можна вважати, що швидкість процесу залежить переважно від концентрації ферменту, та його стану. Фермент, як каталізатор, не витра­чається в ході процесу, тому його загальна концентрація F0 бу­де складатися з концентрації вільного ферменту F та зв’язано­го в фермент-субстратному комплексі FS: F0=F+FS. Звідси

FS =F0–F

Тоді рівняння можна записати :

K=FS / (F0–FS)*S, A FS=F0*S / 1/K+S

Для швидкості реакції розпаду фермент-субстратного комплексу на кінцевий продукт можна написати v3 = K2F0S /(1/K + S) . Величина 1 /К Є зворотною до констан­ти рівноваги утворення і дисоціації фермент-субстратного комплексу 1/k=k2/k1=Ks.

Цю величину називають Константою Михаеліса На честь французького біохіміка Л. Михаеліса, який вивчав механізм ферментативних реакцій. Для характеристики перебігу таких реакцій частіше використовують початкову швидкість, тоді рівняння для швидкості реакції утворення продукту буде мати вигляд:

V0=K2*F0*S0/ (Ks+S0)

Де V0 — Початкова швидкість процесу;

K2 — Константа швидкості дисоціації фермент-субстратно­го комплексу;

S0 — початкова концентрація субстрата;

Ks — константа Михаеліса.

Рівняння називають Рівнянням Михаеліса-Ментена. Воно цілком задовільно узгоджується з експериментальними даними про перебіг багатьох ферментативних реакцій, а тому вважається Загальним законом ферментативного каталізу.

Перебіг мікробіологічних процесів ускладнюється порівняно з біохімічними через те, що на них впливають ще такі додаткові фактори, як концентрація мікробіальних клітин (біомаса), швидкість зростання біомаси, яка залежить від особливостей виду (штаму) мікроорганізмів, від активності і концентрації Інгібіторів — Метаболітів Тощо. Для їх описання запропоновані такі кінетичні Моделі, як модель Моно, Моно-Іерусалімського, П. І. Миколаєва та інші.

За Моделлю Моно:

dС s

— = μс; с = C0+у(SО–S); μ=ΜM

Dτ Ks+S

Де: с, с0 — поточна та початкова концентрація біомаси;

Μ, ΜM – поточна та максимальна питома швидкість росту біомаси, яка залежить від особливостей виду (штаму) мікро­організмів;

Y — емпіричний коефіцієнт;

S, s0 — поточна та початкова концентрація субстрату (жи­вильного середовища);

КS — Константа насичення Моно (концентрація субстрату, при якій Μ=0,5/μт).

За вдосконаленою Моделлю Моно-Іерусалімського Третє рівняння в системі рівнянь Моно має множник, який враховує структуру популяції мікроорганізмів, що впливає на її здатність нарощувати свою біомасу. За цією моделлю питома швидкість нарощування біомаси описується рівнянням:

S Kp

μ=μM Ks+S * Kp+P

де: KР — константа, що характеризує структуру популяції мікроорганізмів;

Р — концентрація інгібітору — метаболіту процесу.

Підсумовуючи сказане про кінетику технологічних про­цесів, треба зазначити, що встановлення кінетичних зако­номірностей дозволяє вирішувати багато теоретичних і прак­тичних завдань. Так, методами кінетичного аналізу можна з’ясувати механізм перебігу процесу, а саме: механізм утворен­ня і дисоціації фермент-субстратного комплексу, число проміжних стадій, спорідненість ферменту і субстрату склад і структуру активного центру ферменту, вплив чистоти фер­менту на його активність, вплив та механізм дії інгібіторів на ферментативний процес.

До практичних завдань, що вирішуються кінетичним аналізом, слід віднести такі як: значення вхідних та вихідних параметрів, які забезпечують оптимальний перебіг процесу, властивості вихідного продукту, допустимі відхилення пара­метрів, розрахунок констант швидкостей і оптимального часу процесу та інші.

Література:

1. П. П. Пивоваров, Д. Ю. Прасол. Теоретичні основи технології харчових виробництв. Х.: Харківський державний університет харчування та торгівлі, 2000. – 118 с.

2. Общая технология пищевых производств /Под ред. Ковалевской Л. П. -М.: Колос, 1993. -384с.

3. Общая технология пищевых производств /Под ред. Назарова Н. И. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 360 с.

4. Технология пищевых производств /Поду ред. Ковалевской Л. П. – М.: Колос, 1997.-707 с.

5. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. – М.: Высш. шк. 1985, -503с.

6. Кучеренко М. Е. та ін. Біохімія для вузів. – К.: Вища шк. 1995,-464с.

7. Боєчко Ф. Ф. Біологічна хімія.-К.: Вища шк. 1995, -536с.

Реферати

Реферати :

Вам буде цікаво:

Ви прочитали: "Кінетика біохімічних та мікробіологічних процесів"
Читати далі