Кинетика Биохимических и микробиологических процессов.

Кинетика биохимических и микробиологических процессов имеет много общего том, что обе группы являются чисто Ферментативными Процессами, т. е. их ход ускоряется Биокатализаторами (ферментами, энзимами). Отмена лишь в том, что Биохимическими считают те процессы, которые происходят при участии ферментов самой пищевого сырья или чистых препаратов и их смесей, Выделенных из растительного, животного или микробиологического материала. К Микробиологических относят процессы, происходящие с участием определенных культур микроорганизмов или их фрагментов, содержащих ферменты. Эти процессы имеют очень большое распространение в пищевых производствах. На их использовании основаны многие отраслей пищеперерабатывающей комплекса.

По сравнению с химическими реакциями ферментативные имеют значительно более сложный механизм. Скорость их протекания зависит не только от концентрации исходного вещества (субстрата) и фермента, от температуры и давления, но и от состояния фермента, степени его чистоты, от рН, влияния Активаторов и ингибиторов — веществ, увеличивающих или уменьшающих активность фермента, И других факторов.

Кинетические закономерности этих реакций учитывают современные представления о сложной структуре фермента, его активного центра и механизм его каталитического действия. Сущность ферментативного катализа основывается на Теории фермент-субстратного промежуточного комплекса, Который может быть в состоянии термодинамического равновесия с исходными веществами (субстрат и фермент) и который необратимо разлагается на продукты реакции с высвобождением фермента. Это можно проиллюстрировать следующей схеме:

K1

S+F ↔FS→F+Р,

K2

Где: S — субстрат;

F — Фермент;

FS — Промежуточный фермент — субстратный комплекс;

Р — Продукт реакции;

K1 — Константа скорости образования комплекса;

K2 — Константа скорости диссоциации комплекса.

Согласно закону действующих масс скорости реакций образования и диссоциации фермент-субстратного комплекса будут равны:

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

В состоянии равновесия V1= V2, тогда константа равновесия будет:

K = k1/k2 = [FS]/ [S] [F], Или K = fs / fS

Где k — константа ривноваги4

[FS=Fs] — концентрация фермент-субстратного комплекса;

[F] = F — концентрация свободного фермента;

[S] =S — концентрация субстрата.

Поскольку концентрация субстрата всегда является избыточным по отношению к концентрации фермента, то можно считать, что скорость процесса зависит в основном от концентрации фермента, и его состояния. Фермент, как катализатор, не расходуется в ходе процесса, поэтому его общая концентрация F0 будет состоять из концентрации свободного фермента F и связанного в фермент-субстратного комплекса FS: F0=F+FS. Отсюда

FS =F0-F

Тогда уравнение можно записать:

K=FS / (F0-FS) *S, A FS=F0*S / 1 /K+S

Для быстроты реакции распада фермент-субстратного комплекса на конечный продукт можно написать v3 = K2F0S / (1 /K + S). Величина 1 /К Есть обратной к константы равновесия образования и диссоциации фермент-субстратного комплекса 1 / k = k2/k1=Ks.

Эту величину называют Константой Михаелиса В честь французского биохимика Л. Михаелиса, изучавший механизм ферментативных реакций. Для характеристики развития таких реакций чаще используют начальную скорость, тогда уравнение для скорости реакции образования продукта будет иметь вид:

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

Где V0 — Начальная скорость процесса;

K2 — Константа скорости диссоциации фермент-субстратного комплекса;

S0 — начальная концентрация субстрата;

Ks — Константа Михаелиса.

Уравнение называют Уравнением Михаелиса-Ментена. Оно вполне удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными о ходе многих ферментативных реакций, а потому считается Общим законом ферментативного катализа.

Течение микробиологических процессов усложняется по сравнению с биохимическими из-за того, что на них влияют еще такие дополнительные факторы, как концентрация микробиальных Клеток (Биомасса), скорость роста биомассы, которая зависит от особенностей вида (штамма) микроорганизмов, от активности и концентрации Ингибиторов - Метаболитов И тому подобное. Для их описания предложены следующие кинетические Модели, как модель Моно, Моно-Иерусалимського, П. И. Николаева и другие.

По Модели Моно:

dС s

- = Μс; с = C0+в (SО-S) μ=ΜM

Dτ Ks+S

Где с, с0 — текущая и начальная концентрация биомассы;

Μ, ΜM — текущая и максимальная удельная скорость роста биомассы, которая зависит от особенностей вида (штамма) микроорганизмов;

Y — Эмпирический коэффициент;

S, s0 — текущая и начальная концентрация субстрата (питательной среды);

КS — Константа насыщения Моно (концентрация субстрата, при которой Μ = 0,5 / μт).

По усовершенствованной Модели Моно-Иерусалимського Третье уравнение в системе уравнений Моно имеет множитель, учитывающий структуру популяции микроорганизмов, что влияет на способность наращивать свою биомассу. По этой модели удельная скорость наращивания биомассы описывается уравнением:

S Kp

μ = μM Ks+S * Kp+P

Где KР — Константа, характеризующая структуру популяции микроорганизмов;

Р - Концентрация ингибитора — метаболита процесса.

Подытоживая сказанное о кинетике Технологических процессов, надо отметить, что установление кинетических закономерностей позволяет решать многие теоретических и практических задач. Так, методами кинетического анализа можно выяснить механизм протекания процесса, а именно: механизм образования и диссоциации фермент-субстратного комплекса, число промежуточных стадий, сродство фермента и субстрата состав и структуру активного центра фермента, влияние чистоты фермента на его активность, влияние и механизм действия ингибиторов на ферментативный процесс.

К практическим задачам, которые решаются кинетическим анализом, следует отнести такие как: значения входных и выходных параметров, которые обеспечивают оптимальный ход процесса, свойства исходного продукта, допустимые отклонения параметров, расчет констант скоростей и оптимального времени процесса и другие.

Литература:

1. П. П. Пивоваров, Д. Ю. Прасол. Теоретические основы технологии пищевых производств. Х.: Харьковский государственный университет питания и торговли, 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. и др.. Биохимия для вузов. — М.: Высшая школа. 1995,-464с.

7. Боечко Ф. Ф. Биологическая химия.-К.: Высшая школа. 1995,-536с.