Спиртовое брожение. Реакция спиртового брожения глюкозы. C6H12O6 дрожжи

Реакция брожения глюкозы. Виды, значение и продукт брожения

Брожение глюкозы - одна из основных реакций, с помощью которой возможно приготовление спиртных напитков. Она может осуществляться разными путями, в каждом из которых образуются индивидуальные продукты. Этот процесс играет ключевую роль во многих отраслях нашей жизни, начиная с кулинарии и приготовления винно-водочных изделий и заканчивая реакциями, протекающими в нашем организме.

История

Процессом брожения глюкозы и других сахаров пользовались ещё древние люди. Они ели немного подбродившую пищу. Такая еда была безопаснее, так как содержала спирт, в среде которого гибли многие вредные бактерии. В Древнем Египте и Вавилоне люди уже умели сбраживать многие сахаросодержащие напитки и молоко. Когда людям в конце 18 века удалось лучше изучить этот процесс, его виды и возможности улучшения, очень сильно качественно выросли такие отрасли промышленности, как квасо-, пивоварение и винно-водочная.

Виды брожения

Как ни странно, но этот процесс бывает разным. И различают виды брожения глюкозы по конечным продуктам. Таким образом, существует молочнокислое, спиртовое, лимоннокислое, ацетоновое, маслянокислое и ещё несколько других. Поговорим немного о каждом виде по отдельности. Молочнокислое брожение глюкозы - основной процесс при приготовлении такой продукции, как простокваша, сметана, кефир, творог. Оно также используется для консервации овощей и выполняет ключевую функцию в нашем организме: в условиях недостатка кислорода глюкоза превращается в конечный продукт - молочную кислоту, которая обуславливает боли в мышцах в момент тренировки и немного после неё.

Спиртовое брожение отличается тем, что в качестве конечного продукта образуется этиловый спирт. Оно происходит при помощи микроорганизмов - дрожжей. И играет ключевую роль в кулинарии, так как помимо основного продукта при спиртовом брожении глюкозы выделяется углекислый газ (этим и объясняется пышность дрожжевого теста).

Лимоннокислое брожение происходит, как нетрудно догадаться, с образованием лимонной кислоты. Происходит оно под действием определённого вида грибов и является частью цикла Кребса, который обеспечивает дыхание всех клеток нашего организма.

Ацетоно-бутиловое брожение очень схоже с маслянокислым. В результате него образуются масляная кислота, бутиловый и этиловый спирты, ацетон и углекислый газ. При маслянокислом брожении образуется лишь соответствующая названию кислота и углекислый газ.

Сейчас мы рассмотрим все типы подробнее, а начнём с самого основного - спиртового брожения глюкозы. Будут подробно разобраны все реакции и нюансы их протекания.

Спиртовое брожение

Расскажем немного больше про брожение глюкозы, уравнение которого: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2CO2. Что можно узнать из этой реакции? Мы имеем два продукта: этиловый спирт и углекислый газ. За счёт последнего мы и наблюдаем взбухание дрожжевого теста. А за счёт первого имеем возможность получить незабываемый вкус вина и винных напитков. Но на самом деле это лишь упрощённое уравнение. Полная реакция брожения глюкозы сложнее, поэтому давайте разберём это немного глубже.

Существует такой процесс, как гликолиз. Буквально его название переводится как "расщепление сахара". Он происходит в организме, и его побочным продуктом является пировиноградная кислота, а основным - аденозинотрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе этой реакции из другого соединения. Можно сказать, что АТФ является переносчиком энергии в организме, и фактически гликолиз служит для обеспечения нашего тела энергией.

Мы не зря коснулись этого процесса. На самом деле брожение очень схоже с гликолизом, так как первая стадия у них абсолютно одинаковая. Можно даже сказать, что реакция спиртового брожения глюкозы является продолжением гликолиза. Образовавшийся в ходе последнего пируват (ион пировиноградной кислоты) превращается в ацетальдегид (Ch4-C(O)H) с выделением в качестве побочного продукта углекислого газа. После этого полученный продукт восстанавливается коферментом NADH, содержащимся в бактериях. Восстановление приводит к образованию этилового спирта.

Таким образом, реакция брожения глюкозы до этилового спирта выглядит так:

1) C6h22O6 = 2 С3h5O3 + 4 H+

2) C3h5O3 = Ch4-COH + CO2

3) СН3-COH + NADH + H+ = C2H5OH + NAD+

NADH служит катализатором реакции, а ион NAD+ играет ключевую роль на ранней стадии гликолиза, и, образуясь в конце спиртового брожения, возвращается в процесс.

Перейдём к следующей разновидности исследуемого типа реакций.

Молочнокислое брожение глюкозы

От спиртового этот вид отличается тем, что происходит не под влиянием дрожжей, а с помощью молочнокислых бактерий. Поэтому мы имеем совершенно разные продукты. Молочнокислое брожение также происходит в наших мышцах при высоких нагрузках и недостатке кислорода.

Различают два вида этого процесса. Первый - гомоферментативное брожение. Если вы хоть раз слышали приставку "гомо", то наверняка понимаете, что она означает. Гомоферментативное брожение - это процесс с участием одного фермента. На первой стадии происходит гликолиз и образуется пировиоградная кислота. Затем полученный пируват (в растворе эта кислота может существовать только в виде ионов) подвергается гидрированию при помощи NADH+H и лактатдегидрогеназы. В результате продуктом восстановления является молочная кислота, которая составляет около 90% от всех получившихся в ходе реакции продуктов. Это соединение, однако, тоже может образовываться в виде двух разных изомеров: D и L. Эти типы отличаются тем, что являются зеркальными отражениями друг друга и, вследствие этого, по-разному воздействуют на наш организм. То, какой изомер будет образовываться в большей степени, определяет строение лактатдегидрогеназы.

Перейдём ко второму типу молочнокислого брожения - гетероферментативному. В этом процессе участвуют несколько ферментов, и он идёт по более сложному пути. Из-за этого в ходе реакции образуется больше различных продуктов: кроме молочной кислоты, мы можем найти там уксусную кислоту и этиловый спирт.

Вот мы и рассмотрели молочнокислое брожение. Это процесс, благодаря которому мы можем наслаждаться вкусом творога, простокваши, ряженки и кефира. Подведём итоги и запишем в общем виде реакцию молочнокислого брожения глюкозы: C6h22O6 = 2 C3H6O3 . Конечно, это упрощённая схема процесса гомоферментативного брожения, так как даже схема гетероферментативного процесса будет очень сложной. Химики до сих пор изучают молочное брожение глюкозы и выясняют полные его механизмы, поэтому нам ещё есть куда стремиться.

Лимоннокислое брожение

Реакции этого вида брожения происходят, как и при спиртовом, под действием грибов определённого штамма. Полный механизм этой реакции ещё не до конца изучен, и мы можем полагаться только на некоторые упрощения. Однако есть предположения, что начальная стадия процесса представляет собой гликолиз. Потом пировиноградная кислота превращается по очереди в различные кислоты и доходит до лимонной. Вследствие такого механизма в реакционной среде накапливаются другие кислоты - продукты неполного окисления глюкозы.

Этот процесс происходит под влиянием кислорода, и в общем виде его можно записать следующим уравнением: 2С6Н12O6 +3О2 = 2С6Н8О7 + 4Н2О. До того как этот вид брожения открыли, люди добывали лимонную кислоту исключительно выжимкой плодов соответствующего дерева. Однако в лимоне этой кислоты не более 15%, поэтому этот способ оказался нецелесообразен, и после открытия этой реакции всю кислоту начали получать методом брожения.

Маслянокислое брожение

Перейдём к следующему типу. Этот вид брожения происходит под действием маслянокислых бактерий. Они широко распространены, а процесс, который они вызывают, играет ключевую роль в биологически важных циклах. С помощью этих бактерий и происходит разложение мёртвых организмов. Масляная кислота, образующаяся в ходе реакций, привлекает своим запахом падальщиков.

Этот вид брожения используется в промышленности. Как нетрудно догадаться, им получают масляную кислоту. Её сложные эфиры широко используются в парфюмерии и имеют приятный запах, в отличие от неё самой. Однако не всегда маслянокислое брожение приносит пользу. Оно может вызывать порчу овощей, консервов, молока и других продуктов. Но это может произойти, если только в продукт попали маслянокислые бактерии.

Разберём механизм маслянокислого брожения глюкозы. Реакция его выглядит так: C6h22O6 → Ch4Ch3Ch3COOH + 2CO2↑ + 2h3. В результате также образуется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность маслянокислых бактерий.

Ацетоно-бутиловое брожение

Этот тип очень схож с маслянокислым. Бродить таким способом может не только глюкоза, но и глицерин, и пировиноградная кислота. Этот процесс можно разделить на две стадии: первая (иногда её называют кислотной) представляет собой фактически маслянокислое брожение. Однако помимо масляной, выделяется ещё и уксусная кислота. В результате брожения глюкозы таким способом мы получаем продукты, которые идут во вторую стадию (ацетонобутиловую). Так как весь этот процесс происходит также под действием бактерий, то при подкислении среды (повышении концентрации кислот) происходит выделение специальных ферментов бактериями. Они индуцируют реакцию превращения продуктов брожения глюкозы в н-бутанол (бутиловый спирт) и ацетон. Помимо этого, может образовываться некоторое количество этанола.

Другие виды брожения

Помимо перечисленных пяти видов этого процесса, существуют ещё несколько. Например, это уксуснокислое брожение. Оно тоже происходит под действием многих бактерий. Этот вид брожения может использоваться в полезных целях при мариновании. Он предохраняет пищу от болезнетворных и опасных бактерий. Ещё различают щелочное или метановое брожение. В отличие от предыдущих типов, этот вид брожения может осуществляться для большинства органических соединений. В результате большого количества сложных реакций, органические вещества расщепляются на метан, водород и углекислый газ.

Биологическая роль

Брожение - самый древний способ добывания энергии живыми организмами. Одни существа производят органические вещества, попутно получая энергию, а другие разрушают эти вещества, тоже получая при этом энергию. На этом построена вся наша жизнь. И в каждом из нас брожение в том или ином виде протекает. Как мы уже говорили выше, молочнокислое брожение происходит в мышцах при интенсивной тренировке.

Что ещё почитать?

Если вас заинтересовала биохимия этого очень интересного процесса, стоит начать со школьных учебников по химии и биологии. Во многих вузовских учебниках изложен настолько подробный материал, что после их прочтения вы сможете стать просто экспертом в этой области.

Заключение

Вот мы и подошли к концу. Разобрали все виды брожения глюкозы и общие принципы протекания этих процессов, которые играют очень важную роль как в функционировании живых организмов, так и в нашей промышленности. Вполне возможно, что в будущем мы откроем ещё несколько видов этого древнего процесса и научимся использовать их на пользу себе, как сделали с уже известными нам.

fb.ru

Спиртовое брожение. Реакция спиртового брожения глюкозы :: SYL.ru

Процесс брожения считается неотъемлемой базой для производства различных пищевых продуктов – хлебобулочных изделий, кисломолочных товаров, квашеных овощей. Также данный процесс имеет большое значение в пивоварении, виноделии и выработке спирта. В начале ферментации простейшие углеводы преобразовываются в этанол, углекислый газ и другие элементы. В этом и заключается основа брожения.

Процесс метаболизма дрожжей

Для того чтобы получить спиртовое брожение, возбудители – микроорганизмы дрожжи - сбраживают моносахариды, в частности глюкозу. Она под их воздействием подвергается ферментации, и в результате этого на выходе получается этиловый спирт и двуокись углерода. В определенной среде брожение может проходить за счет бактерий и плесневелых грибов. Далее происходит реакция спиртового брожения глюкозы. После ее завершения конечный продукт отделяют от сусла перегонкой. Затем спирт очищают методом фракционной дистилляции. Для того чтобы усилить рост дрожжей, сусло аэрируют (насыщают его воздухом, азотом или другими газами). Потом создаются анаэробные условия для обеспечения брожения и накопления спирта. Благодаря этим условиям предупреждается окисление спирта в уксусную кислоту, воду и углекислый газ. Чтобы получить брожение, используется концентрация глюкозы от 10 до 15%, а температура должна быть не больше 30 °C. Плотность сахара менее 10% для ферментации неблагоприятна. А при концентрации 30—35% брожение перестает происходить. Может возникнуть самопроизвольное брожение при ненадлежащем хранении сахаросодержащих продуктов: варенья, сиропов, сока, меда, ягод. И это становится причиной их порчи.

Химический процесс брожения

Для дрожжей спиртовое брожение происходит в два этапа:

• Окислительная стадия заключается в превращении сахара до пировиноградной кислоты. При этом происходит образование двух молекул НАД (фермент, существующий в живых клетках), и это является промежуточным атомом водорода.
• Восстановительная стадия состоит в передаче молекулы водорода конечному атому. Конечный акцептор превращается в основной продукт брожения.

В дрожжах содержится специальный фермент, который при помощи химических реакций образует уксусный альдегид. Он вступает в связь с углекислым газом и при помощи дегидрогеназы превращается в этанол. Процесс брожения завершает реакция восстановления уксусного альдегида.

Основной продукт брожения

Простые углеводы (фруктоза и глюкоза) легче всего подвергаются процессу ферментации. Как уже было сказано ранее, спиртовое брожение вызывают дрожжи. По виду их распределяют на культурные и дикие продукты.

Культивированные дрожжи делятся на формы низового и верхового брожения. Эти группы различаются своей ферментацией и температурным режимом, при котором наступает процесс брожения. Низовые дрожжи характеризуются образованием осадка, и бродят они при температуре не выше 10 °C.

Верховая группа хорошо развивается при температуре в 30 °C и собирается в основном в пене продукта. За счет их активности реакция спиртового брожения происходит быстрее, и они перерабатывают больше сахара, что увеличивает процент крепости спиртового продукта.

Применение культурных дрожжей конечным продуктам придает приятный аромат и вкус.

Дикие дрожжи обладают довольно небольшой способностью к брожению. При их ферментации образуется менее 10% спирта. Они вырабатывают вещества, которые портят вкус и запах конечного продукта. При размножении данные дрожжи не позволяют вырабатываться полезным веществам в процессе брожения нужной микрофлоры.

Побочные продукты брожения

Во время протекания процесса брожения в первичном спиртосодержащем сырье в малых количествах начинает образовываться побочное сырье распада молекул: глицерин, кислота уксусная и альдегид, спиртовые продукты распада (бутиловый, амиловый, изобутиловый и другие высшие спирты). Их выработка происходит при разложении аминокислот. В производстве побочные продукты брожения называют «сивушными маслами».

Конечное сырье многих вторичных продуктов — это ацетальдегид. В большой дозе он прерывает брожение. Поэтому дрожжи с помощью химических процессов превращают его в этанол и вторичное сырье ферментации. Побочный продукт – неотъемлемая часть спиртового брожения. Вторичные вещества участвуют в клеточном обмене веществ дрожжей.

Брожение сахаров для получения сусла

Невозможно без процесса брожения получить начальное сусло для производства спирта и использовать его в производстве вина. Дрожжи — возбудители ферментации. Они перерабатывают глюкозу, которая содержится в плодах винограда. Для брожения используются дрожжи рода сахаромицет. Также могут применяться природные дрожжи, находящиеся на виноградной кожице.

Для получения качественного винного сусла процесс брожения должен протекать при определенном режиме температур. При температурной норме реакция брожения глюкозы будет осуществляться на правильном уровне. Оптимальная температура для производства красного вина - это 27—30 градусов C. Для выработки белого вина допускается не слишком высокая температура.

Изготовление сусла для красных вин осуществляется с помощью брожения и мацерации. Поскольку жидкость из красных сортов винограда бесцветна, сусло настаивают на его кожице. Она содержит окрашивающие вещества (антоцианы), которые необходимы для производства красных вин.

Спиртовое брожение и мацерация осуществляются одновременно. Но процесс ферментации длится не больше двух недель, а мацерация может продолжаться до месяца. В большей степени это зависит от сорта виноградных плодов. После окончания всех процессов винное сусло также проходит очистку и переливку. Сам метаморфизм спиртового брожения винного сусла будет окончен, когда переработается весь сахар.

Применение процесса спиртового брожения в промышленности

Одна из основных областей, где используется ферментация дрожжей – это пищевая промышленность. В частности, в производстве алкогольных напитков используется спиртовое брожение глюкозы как основная процедура для получения начального сусла. Также на таком брожении основано хлебопекарное производство.

В изготовлении спирта используют верховые дрожжи. Они очень быстро сбраживают сахар. При этом они обладают устойчивостью к спирту. Большую роль дрожжи играют в пивной промышленности. В виноделии до некоторого времени не использовались специальные культурные дрожжи. Для производства вина использовалось сырье, находящееся на виноградных плодах. С его помощью и происходило спиртовое брожение дрожжей для получения необходимой продукции.

Но с внедрением в виноделие культурных групп стало возможным получение быстрого сбраживания и в итоге создание более чистого вида продукта. Также спиртовая ферментация применяется и в производстве браги.

Еще один вид напитка

Брага — алкогольный напиток, который изготавливается за счет брожения дрожжей и сахара. По истечении времени спиртовое брожение глюкозы вырабатывает спиртосодержащую массу для последующей очистки (дистилляции). Весь этот процесс происходит при сбраживании дрожжами сахара.

Важный компонент браги

Во время сбраживания поддерживается определенная температура – от 22 до 30 градусов C. При более низком температурном режиме у этой группы дрожжей процесс ферментации будет осуществляться медленнее. Это не даст правильную выработку спиртосодержащего конечного напитка. А при температуре выше заданной нормы погибнут дрожжевые грибки, и процесс брожения происходить не будет.

Основным неотъемлемым компонентом в приготовлении спиртосодержащих напитков являются дрожжи. Для заготовки такого напитка, как брага из сахара, используются специальные спиртовые дрожжи верхней группы брожения.

Какая нужна вода для спиртового брожения?

Для производства спиртосодержащих напитков обязательно используют воду. К ней предъявляются высокие требования. Идеальная вода — бесцветна, прозрачна. Она не должна иметь запаха и привкуса. Чтобы сбраживание дрожжей получилось качественным, предпочтение отдают воде с небольшим содержанием солей кальция и магния. Считается, что лучше всего использовать жидкость из артезианских скважин.

Для изготовления спиртовых продуктов используется сырая вода. Она содержит необходимые молекулы воздуха, которые необходимы дрожжам. Очистка воды для брожения происходит с помощью фильтрации.

Длительность ферментации дрожжей

Время, за которое дрожжи сбродят весь сахар, зависит прежде всего от температуры. Также немаловажно качество дрожжей. Приемлемое время сбраживания - от 7 до 14 дней. Выработка конечного продукта спиртового брожения считается законченной, если нет шипения и пузырьков на поверхности. Также брага из сахара при законченном процессе брожения имеет кисловато-горький привкус.

Если же на вкус она осталась сладковатой, то дрожжи во время процесса погибли, не переработав сахар. Это происходит по причине несоблюдения температурного режима, качества воды и дрожжей.

Фильтрация конечного спиртового продукта

После окончания брожения дрожжей, простейшие углеводы, в частности глюкоза, вырабатывают этанол, газ, энергию. Получившийся спиртосодержащий напиток обязательно подвергают фильтрации. Для этого удаляются остатки дрожжей и побочные продукты сбраживания.

Очистка производится с помощью специальных аппаратов методом ректификации (разделение на различные компоненты жидких смесей). Такой фильтрации подвергается первый спирт (сырец). Спиртосодержащий продукт, очищенный этим методом, не имеет вредных примесей, эфиров и обладает мягкостью и высокой крепостью.

Дополнительные методы очистки

В производстве используют химическую очистку конечного продукта брожения дрожжей. Для ее применения используют щелочь, чтобы удалить вредные кислоты и эфиры. При воздействии щелочи эфиры омыляются, и одновременно с этим выделяется спирт.

Чтобы удалить вырабатываемые альдегиды и побочные соединения, используется слабый раствор перманганата калия. Он окисляет вредные примеси. К методам вспомогательной очистки относят фильтрацию активированным углем. Он является отличным поглотителем различных примесей, содержащихся в необработанном спирте.

Еще один способ очистки спирта в промышленности — его термообработка. При подогреве до определенных температур в конечном продукте совершается разложение опасных примесей. Максимальный температурный режим, при котором происходит термическая обработка – до 140 градусов C. Он длится 10-15 минут.

Заключение

Спиртовое брожение является самым изученным химическим процессом. Но ничего странного в этом нет. Помимо производства алкогольных напитков, благодаря этому процессу можно получить самые различные кислоты, глицерин и медицинский этанол.

www.syl.ru

Спиртовое брожение

Биохимические этапы спиртового брожения.

При спиртовом брожении помимо основных продуктов — спир­та и СО2, из сахаров возникает множество других, так называе­мых вторичных продуктов брожения. Из 100 г С6Н12О6 образует­ся 48,4 г этилового спирта, 46,6 г диоксида углерода, 3,3 г глице­рина, 0,5 г янтарной кислоты и 1,2 г смеси молочной кислоты, ацетальдегида, ацетоина и других органических соединений.

Наряду с этим дрожжевые клетки в период размножения и логарифмического роста потребляют из виноградного сусла ами­нокислоты, необходимые для построения собственных белков. При этом образуются побочные продукты брожения, главным об­разом высшие спирты.

В современной схеме спиртового брожения насчитывается 10—12 фаз биохимических превращений гексоз под действием комплекса ферментов дрожжей. В упрощенном виде можно вы­делить три этапа спиртового брожения.

I этап — фосфорилирование и распад гексоз. На этом этапе протекает несколько реакций, в результате которых гексоза пре­вращается в триозофосфат:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 Гексоза

Фосфогексокиназа, изомериаза, альдолаза   АТФ → АДФ

2С3Н2О3(Н2РО3) + Н2О Триозофосфат

Главную роль в передаче энергии в биохимических реакциях играют АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Они входят в состав ферментов, аккумулируют большое коли­чество энергии, необходимой для осуществления жизненных про­цессов, и представляют собой аденозин — составную часть ну­клеиновых кислот — с остатками фосфорной кислоты. Вначале образуется адениловая кислота (монофосфат аденозина, или аденозинмонофосфат — АМФ):

Если обозначить аденозин буквой А, то строение АТФ может быть представлено в следующем виде:

ОН ОН ОН

║ ║ ║

А—О—Р—О ~ Р — О ~ Р— ОН

║ ║ ║

О О О

Значком с ~ обозначены так называемые макроэргические фосфатные связи, чрезвычайно богатые энергией, которая выде­ляется при отщеплении остатков фосфорной кислоты. Передача энергии с АТФ на АДФ может быть представлена следующей схе­мой:

Выделяющаяся энергия используется дрожжевыми клетками для обеспечения жизненных функций, в частности их размноже­ния. Первым актом выделения энергии и является образование фосфорных эфиров гексоз — фосфорилирование их. Присоедине­ние к гексозам остатка фосфорной кислоты от АТФ происходит под действием фермента фосфогексокиназы, поставляемого дрожжами (молекулу фосфата обозначим буквой Р):

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат фруктозо-1,6-фосфат

Как видно из приведенной схемы, фосфорилирование проис­ходит дважды, причем фосфорный эфир глюкозы под действием фермента изомеразы обратимо превращается в фосфорный эфир фруктозы, имеющий симметричное фурановое кольцо. Симмет­ричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает ее последующий разрыв как раз в середине. Распад гексозы на две триозы катализирует фермент альдолаза; в результате распада образуется неравновесная смесь 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Фосфоглицери-новый альдегид (3,5 %)   Фосфодиокси-ацетон (96,5 %)

В дальнейших реакциях участвует только 3-фосфоглицерино­вый альдегид, содержание которого постоянно пополняется под действием фермента изомеразы на молекулы фосфодиоксиацетона.

ІІ этап спиртового брожения — образование пировиноградной кислоты. На втором этапе триозофосфат в виде 3-фосфоглицеринового альдегида под действием окислительного фермента дегидрогеназы окисляется в фосфоглицериновую кислоту, а она при участии соответствую­щих ферментов (фосфоглицеромутазы и энолазы) и системы ЛДФ — АТФ превращается в пировиноградную кислоту:

С3Н2О3(Н2РО3) + [О] 3-Фосфоглицириновый альдегид

Дигедрогеназа, фосфотрансфераза, фосфоглицеромутаза, энолаза

С3Н4О3 + Н3РО4 Пировино - Фосфорная Градная кислота Кислота

Вначале каждая молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет к себе еще один остаток фосфорной кислоты (за счет молекулы неорганического фосфора) и образуется 1,3-дифосфоглицериновый альдегид. Затем в анаэробных условиях про­исходит его окисление в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Активной группой дегидрогеназы является кофермент сложного органического строения НАД (никотинамидадениндинуклеотид), фиксирующий своим никотинамидным ядром два атома водорода:

НАД+ + 2Н+ + НАД • Н2

НАД окисленный НАД восстановленный

Окисляя субстрат, кофермент НАД становится обладателем свободных ионов водорода, что придает ему высокий восстано­вительный потенциал. Поэтому бродящее сусло всегда характеризуется высокой восстанавливающей способностью, что имеет большое практическое значение в виноделии: понижается рН среды, восстанавливаются временно окисленные вещества, погибают патогенные микроорганизмы.

В заключительной фазе II этапа спиртового брожения фермент фосфотрансфераза дважды катализирует перенос остатка фосфорной кислоты, а фосфоглицеромутаза перемещает его от 3-го угле­родного атома ко 2-му, открывая возможность ферменту энолазе образовать пировиноградную кислоту:

1,3-Дифосоглицериновая кислота 2-Фосфогглицериновая кислота Пировиноградная кислота

В связи с тем что из одной молекулы дважды фосфорилированной гексозы (израсходовано 2 АТФ) получаются две молеку­лы дважды фосфорилированных триоз (образовано 4 АТФ), чи­стым энергетическим балансом ферментативного распада саха­ров является образование 2 АТФ. Эта энергия обеспечивает жиз­ненные функции дрожжей и вызывает повышение температуры бродящей среды.

Все реакции, предшествующие образованию пировиноградной кислоты, присущи как анаэробному сбраживанию сахаров, так и дыханию простейших организмов и растений. III этап име­ет отношение только к спиртовому брожению.

 

III этап спиртового брожения — образование этилового спирта. На заключитель­ном этапе спиртового брожения пировиноградная кислота под действием фермента декарбоксилазы декарбоксилируется с об­разованием ацетальдегида и диоксида углерода, а с участием фермента алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД-Н2 проис­ходит восстановление ацетальдегида в этиловый спирт:

 

Пировиноградная кислота                                 Ацетилальдегид                                 Этиловый спирт

Если в бродящем сусле есть избыток свободной сернистой кислоты, то часть ацетальдегида связывается в альдегидсернистое соединение: в каждом литре сусла 100 мг Н2SO3 связывают 66 мг СН3СОН.

Впоследствии при наличии кислорода это нестойкое соедине­ние распадается, и в виноматериале обнаруживают свободный ацетальдегид, что особенно нежелательно для шампанских и сто­ловых виноматериалов.

В сжатом виде анаэробное превращение гексозы в этиловый спирт может быть представлено следующей схемой:

 Схема спиртового брожения.

Как видно из схемы спиртового брожения, сперва образуются фосфорные эфиры гексоз. При этом молекулы глюкозы и фруктозы под действием фермента гексокеназы присоединяют остаток фосфорной кислоты от аденозиттрифосфата (АТФ), при этом образуется глюкоза-6-фосфат и аденозитдифосфат (АДФ).

Глюкоза-6-фосфат под действием фермента изомеразы превращается в фруктозу-6-фосфат, присоединяющий еще один остаток фосфорной кислоты из АТФ и образующий фруктозу-1,6-дифосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой. Образованием этого химического соединения заканчивается первая подготовительная стадия анаэробного распада сахаров.

В результате этих реакций молекула сахара переходит в оксиформу, приобретает большую лабильность и становится более способной к ферментативным преобразованиям.

Под влиянием фермента альдолазы фруктоза-1, 6-дифосфат расщепляется на глицеринальдегидофосфорную и диоксиацетонофосфорную кислоты, способные превращаться одна в одну под действием фермента триозофосфатизомеразы. Дальнейшему преобразованию подвергается фосфоглицериновый альдегид, которого образуется приблизительно 3 % по сравнению с 97 % фосфодиоксиацетона. Фосфодиоксиацетон, по мере использования фосфоглицеринового альдегида, превращается под действием изомеразы фосфотриоз в 3-фосфоглицериновый альдегид.

На второй стадии 3-фосфоглицериновый альдегид присоединяет еще один остаток фосфорной кислоты (за счет неорганического фосфора) с образованием 1, 3-дифосфоглицеринового альдегида, который дегидруется под действием триозофосфатдегидрогеназы и дает 1, 3-дифосфоглицериновую кислоту. Водород, в этом случае, переносится на окисленную форму кофермента НАД. 1, 3-дифосфоглицериновая кислота, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткеназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя, под действием фосфопируватгидротазы, превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Дальше, при участии фермента пируваткеназы, фосфоэнолпировиноградная кислота передает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула энолпировиноградной кислоты переходит в пировиноградную кислоту.

Третья стадия спиртового брожения характеризуется расщеплением пировиноградной кислоты под действием фермента пируватдекарбоксилазы на диоксид углерода и уксусный альдегид, который под действием фермента алкогольдегидрогеназы (коферментом ее является НАД) восстанавливается в этиловый спирт.

Суммарное уравнение спиртового брожения может быть представлено так:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О

Таким образом, при брожении происходит преобразование одной молекулы глюкозы в две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода.

Но указанный ход брожения не единственный. Если, например, в субстрате нет фермента пируватдекарбоксилазы, то не происходит расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида и восстановлению подвергается непосредственно пировиноградная кислота, превращаясь в молочную кислоту в присутствии лактатдегидрогеназы.

В виноделии брожение глюкозы и фруктозы происходит в присутствии бисульфита натрия. Уксусный альдегид, образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кислоты, удаляется в результате связывания бисульфитом. Место уксусного альдегида занимают диоксиацетонфосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид, они получают водород от восстановленных химических соединений, образуя глицерофосфат, который превращается в результате дефосфорилирования в глицерин. Это вторая форма брожения по Нейбергу. По этой схеме спиртового брожения происходит накопление глицерина и уксусного альдегида в виде бисульфитной производной.

Вещества, образующиеся при брожении.

В настоящее время в продуктах брожения найдено около 50 высших спиртов, которые обладают разнообразными запаха­ми и существенно влияют на аромат и букет вина. В наиболь­ших количествах при брожении образуются изоамиловый, изобутиловый и N-пропиловый спирты. В мускатных игристых и столовых полусладких винах, получаемых путем так называемого биологического азотопонижения, в большом количестве (до 100 мг/дм3) найдены ароматические высшие спирты β-фенилэтанол (ФЭС), тирозол, терпеновый спирт фарнезол, обладающие ароматом розы, ландыша, цветов липы. Их присутствие в неболь­шом количестве желательно. Кроме того, при выдержке вина высшие спирты вступают в этерификацию с летучими кислотами и образуют сложные эфиры, придающие вину благоприятные эфирные тона зрелости букета.

Источником высших спиртов являются, прежде всего, амино­кислоты, потребляемые дрожжами при размножении на стадии логарифмического роста.

Согласно теории Ф. Эрлиха высшие спирты образуются дву­мя путями:

І — через декарбоксилирование

- CO2 - Nh4 R−CH(Nh3)COOH → R−Ch3Nh3 → R−Ch3OH +h3O Аминокислота Амин Спирт

- Nh4 - CO2 R−CH(Nh3)COOH → R−CH(OH)COOH → R−Ch3OH | +h3O Аминокислота Оксикислота Спирт

ІІ — через первоначальное гидролитическое дезаминирование

В дальнейшем было доказано, что основная масса алифатических высших спиртов образуется из пировиноградной кислоты путем переаминирования и непосредственного биосинтеза с участием аминокислот и ацетальдегида. Но наиболее ценные ароматические высшие спирты образуются только из соответствующих аминокислот ароматического ряда, например:

Образование высших спиртов в вине зависит от многих факторов. В нормальных условиях их накапливается в среднем 250 мг/дм3. При медленном длительном брожении количество высших спиртов возрастает, при повышении температуры брожения до 30 °С — уменьшается. В условиях поточного непрерывно брожения размножение дрожжей очень ограничено и высших спиртов образуется меньше, чем при периодическом способе брожения.

При уменьшении количества дрожжевых клеток в результате охлаждения, отстаивания и грубой фильтрации забродившего сусла происходит медленное накопление биомассы дрожжей и одновременно растет количество высших спиртов, прежде всего ароматического ряда.

Повышенное количество высших спиртов нежелательно для столовых белых сухих, шампанских и коньячных виноматериалов, однако придает многообразие оттенков в аромате и вкусе красным столовым, игристым и крепким винам.

Спиртовое брожение виноградного сусла связано также с образованием высокомолекулярных альдегидов и кетонов, летучих и жирных кислот и их эфиров, имеющих значение в формировании букета и вкуса вина.

Добавить комментарий

vinograd-vino.ru

ЛЕКЦИЯ 4 - биохимические процессы

ЛЕКЦИЯ 4

ВАЖНЕЙШИЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ, И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Литература:

1. Мудрецова-Висс К.А., Кудряшова А.А., Дедюхина В.П. Микробиология, санитария и гигиена: учебник. – 4-е изд. с изм. и доп. – Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2005. – 396 с.

2. Матвеева И.В., Белявская И.Г. Биотехнологические основы приготовления хлеба. – М.: ДеЛи Принт, 2001. – 150 с.

Процессы, играющие положительную или отрицательную роль при формировании свойств растительного сырья относятся к процессам превращения безазотистых органических веществ и в основном к анаэробным процессам.

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение – процесс превращения сахара в этиловый спирт и углекислый газ микроорганизмами. Суммарное уравнение спиртового брожения описывается уравнением Гей-Люссака следующим образом:

C6h22O6 = 2Ch4Ch3OH+2CO2 + 94 кДж (28 ккал)

Из этого уравнения следует, что на 180 массовых единиц глюкозы образуется 88 единиц диоксида углерода и 92 единицы этилового спирта, или на 1 мг диоксида углерода получается 1,04 мл этилового спирта, причём расходуется 2,04 мг глюкозы. Эти данные обычно используются при расчёте количества углеводов на спиртовое брожение теста с прессованными дрожжами, исходя из предпосылки, что основным типом брожения при этих условиях является именно спиртовое брожение. Фактический баланс спиртового брожения при активной кислотности среды рН 6,0 (рН бродящего теста) близок к теоретическому. При оптимальных условиях брожения (температуре 30 °С и определённом составе синтетической среды) 1 г прессованных дрожжей сбраживает 1 г сахарозы за 1 ч.

В основном возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Также спиртовое брожение могут вызвать мицелиальные грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта (5-7 %). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побочными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от брожения, вызываемого дрожжами. Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрожжей была отмечена ещё в начале 18 века, но окончательно установлена Л. Пастером в 1857 г. большое значение в изучении спиртового брожения имело открытие «бесклеточного» брожения – соком из дрожжей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании этого был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество – фермент, которое ещё Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования позволили установить, что зимаза комплекс ферментов.

Химизм спиртового брожения

Спиртовое брожение, как и любое другое брожение протекает в две стадии

I–я стадия – окислительная – включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образованием двух молекул восстановленного НАД·Н2 – промежуточного акцептора водорода:

C6h22O6 → 2Ch4CОСООН+2 НАД·Н2

II-я стадия – восстановительная - НАД·Н2 передаёт водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения

Дрожжи обладают ферментом пируват декарбоксилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением СО2 и образованием уксусного альдегида:

2Ch4CОСООН → 2СН3СНО+2СО2

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. В среде теста углекислый газ является активным разрыхлителем. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с НАД·Н2, он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД·Н2 регенерируется (окисляется) в НАД:

2СН3СНО+ НАД·Н2 → 2СН3СН2ОН + 2 НАД

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

С энергетической точки зрения процесс брожения малоэкономичен. Недостаток выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают за счёт переработки большого количества сахара. При доступе кислорода спиртовое брожение вытесняется полным окислением углеводов до диоксида углерода и воды с выделением значительного количества энергии:

C6h22O6 + 3О2 = 6Н2О+6CO2 + 2830,8 кДж

Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин (1-3 %), уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла – смесь высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового, н-пропилового и др.) и некоторые другие вещества. Образование дрожжами высших спиртов связано с азотистым и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в образовании аромата и вкуса продуктов спиртового брожения.

На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ей концентрация, кислотность, температура и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – преимущественно сахарозу, мальтозу. Пентозы могут использовать лишь некоторые виды дрожжей. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как они не имеют пищеварительных ферментов. Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15 %. При повышении концентрации сахара энергия брожения* (энергия брожения – способность определённого количества дрожжей сбраживать за определённый промежуток времени то или иное количество сахара) снижается, а при 30-35 % брожении обычно почти прекращается, хотя в природе встречаются дрожжи, способные вызвать медленное брожение сахара даже при концентрации его до 60 % и выше.

Из общих моментов, характеризующих сбораживание сахаров дрожжами, следует отметить, что кинетика этого процесса следует теории Михаэлиса-Ментона в пределах концентрации глюкозы от 0,2 до 5 %, а для фруктозы от 0,4 до 6 %. Константа Михаэлиса-Ментона (концентрация субстрата, выраженная в молях на литр, при которой наблюдается скорость реакции, равная половине максимальной) Км равна 0,01067 для глюкозы, а для фруктозы – 0,0225, что показывает преимущественное сбраживание глюкозы.

Известно, что скорость инверсии сахарозы дрожжами превышает скорость сбраживания её компонентов – глюкозы и фруктозы. Если в бродящей среде сахароза является единственным источником сбраживаемых сахаров, то это не будет лимитировать процесс брожения. Это имеет существенное значение для теоретических расчётов при брожении теста с незначительной продолжительностью (ускоренные технологии) или низкой активностью ферментов, осахаривающих крахмал, где единственным источником сбраживаемых углеводов является сахар-песок, добавляемый по рецептуре.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли; используются также аминокислоты и пептиды.

Нормально брожение протекает в кислой среде при рН равной 4-5. в щелочной среде направление брожения изменяется в сторону увеличения выхода глицерина. Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30 °С, а при 40-45 °С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры брожение замедляется, но полностью не прекращается даже при температурах, близких к 0 °С.

По характеру брожения дрожжи подразделяются на верховые и низовые дрожжи.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28 °С. на поверхности бродящей жидкости образуется много пены, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных сосудов рыхлым слоем.

Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно если оно протекает при сравнительно низких температурах – 4-10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных ёмкостей.

Этиловый спирт, накапливающийся в процессе брожения, неблагоприятно влияет на дрожжи. Его угнетающее действие проявляется уже при концентрации 2-5 % в зависимости от вида и расы дрожжей. В большинстве случаев брожение прекращается при 12-14 % (объёмных) спирта. Некоторые расы дрожжей более спиртоустойчивы и образуют 16-18 % спирта. Получены расы, продуцирующие до 20 % спирта.

Процесс спиртового брожения лежит в основе виноделия, пивоварения, хлебопечения, производства этилового спирта и глицерина. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при получении некоторых кисломолочных продуктов (кумыса, кефира), при квашении овощей. Однако спонтанно (самопроизвольно) возникающее спиртовое брожение в сахаросодержащих продуктах (фруктовых соках, сиропах, компотах, варенье и др.) вызывает их порчу – забраживание.

Молочно-кислое брожение

Данное брожение – превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве образуются побочные продукты. По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные, гетероферментативные.

Гомоферментативные (однотипно-бродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85-90 %) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип молочно-кислого брожения можно представить следующим уравнением:

C6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН

Гетероферментативные (разнотипно-бродящие) бактерии – менее активные кислотообразователи. Количество обрузуемой молочной кислоты составляет 20-40 %Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество других веществ – этиловый спирт, углекислый газ, некоторые ещё уксусную кислоту, ацетоин (СН3СНОНСО СН3) и диацетил (СН3СОСОСН3), обладающий своеобразным приятным ароматом.

В зависимости от условий развития (рН, температуры, степени аэробности и др.) характер конечных продуктов брожения может меняться у одного и того же вида молочных бактерий.

Химизм молочно-кислого брожения

Гомоферментативное мк брожение происходит по гликолитической схеме Эмбдена-Мейргофа. Процесс превращения глюкозы у гомоферментативных молочнокислых бактерий протекает по гликолитическому пути. Далее в виду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбоксилазы, пвк не подергается расщеплению: в этом брожении она является конечным акцептором водорода.

Пвк при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается в молочную, а НАД·Н2 окисляется в НАД:

СН3СОСООН + НАД·Н2 = СН3СНОНСООН + НАД

Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному – петозофосфатным путём, что обусловливает своеобразие комплекса ферментов у этих бактерий. Из-за отсутствия у них фермента альдолазы изменяется начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород) и декарбоксилируется (отщепляется СО2) превращаясь в пентозофосфат. Последний расщепляется на фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид, как и у гомоферментативных молочнокислых бактерий, превращается в пвк, которая затем восстанавливается в молочную кислоту. Ацетилфосфат дефосфорилируется и прверащается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт. Таким образом, конечным акцептором водорода в этом типе брожения служат пвк и уксусный альдегид.

Из углеводов преимущественно сбраживаются мк бактериями гексозы и дисахариды. Гетероферментативные мк бактерии и некоторые виды Lactobacillus plantarum сбраживают пентозы. Некоторые виды гомоферментативных мк бактерий также могут сбраживать пентозы, причём из 3-х молей пентоз образуется 5 молей молочной кислоты. Эта особенность имеет определённое технологическое значение при сбраживании ржаных, ржано0пшеничных полуфабрикатов, которые содержат много пентозанов и продуктов их гидролиа.

Мк брожение осуществляется наиболее интенсивно в кислой среде при рН 5-6. в полуфабрикатах хлебопекарного производства бактерии активны при рН 3-3,5.

Повышенное осмотическое давление (при концентрации сахара в среде 15 % и соли более 6 %) неблагоприятно воздействует на мк бактерии, но при высоких концентрациях спирта (до 18-24 %) они способны развиваться.

Сложные взаимодействия различных факторов (состав среды, рН, температура) определяют в конечном счёте характер и количественное соотношение основных и побочных продуктов мк брожения. Образование уксусной кислоты не является желательным, т.к. эта кислота летучая и обладает резко выраженным вкусом и запахом и чрезмерное её накопление может ухудшить органолептические характеристики продукта.

В полуфабрикатах хлебопекарного производства, кроме спиртового и мк брожения, встречаются пропионовокисое, бутиленгликолевое, масляное, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и другие типы брожения.

Пропионовокислое брожение

Данное брожение – превращение сахара или молочной кислоты и её солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

3С6Н12О6 → 4СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О;

3СН3СНОНСООН → 2СН3СН2СООН + СН3СООН + СО2 + Н2О

Некоторые пропионово-кислые бактерии образуют, кроме того, немного других кислот (муравьиную, янтарную, изоварериановую).

При пропионово-кислом брожении превращение глюкозы до пвк протекает также по гликолитическому пути. В дальнейшем пвк, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропионовую.

Важным является тот факт, что пропионовокислое брожение является антагонистом «картофельной болезни» хлеба.

Маслянокислое брожение и ацетонобутиловое брожение

Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода, по уравнению:

C6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2

В качестве побочных продуктов брожения при этом получаются: бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

Химизм

При этом брожении сахар ретерпевает те же превращения, что и при спиртовом и гомоферментативном мк брожении, вплоть до образования пвк. Пвк при участии кофермента А(КоА) расщепляется до ацетилКоА (СН3СОКоА), СО2, Н2. две молекулы образовавшегося двууглеродного соединения конденсируются при участии фермента карболигазы. Из синтезированного четырёхуглеродного соединения (ацетоацетилКоА) в сложном цикле последовательных превращений образуется масляная кислота.

Значимое для пищевых систем из растительного сырья маслянокислое брожение вызывают Clostridium asetobutylicum. Данный микроорганизм вызывает также ацетобутиловое брожение

Наличие конечных продуктов брожения зависит от активной кислотности среды. Если реакция среды кислая, то основным продуктом брожения является бутиловый спирт и ацетон. Если брожение протекает в нейтральной среде, то основным продуктом брожения является масляная кислота, а этанол и ацетон образуются в небольших количествах.

Практическое значение маслянокислого брожения

Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным резким запахом слабые растворы этой кислоты обладают специфическим запахом. Эфиры масляной кислоты обладают приятными ароматами, например, метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый – грушевый, амиловый – ананасовый. Их используют, как ароматические вещества в кондитерской, парфюмерной промышленности, а также при изготовлении фруктовых напитков.

В природе это брожение имеет положительное значение как звено в цепи многообразных превращений органических веществ. В народном хозяйстве оно часто приносит значительный ущерб. Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание молока, масла, увлажнённой муки. Они вызывают порчу квашенных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придаёт продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

Возбудители маслянокислого брожения

Маслянокислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные грамположительные палочки, они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к концу палочки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки. Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течение нескольких минут. Особенностью этих бактерий является наличие в клетках вещества – крахмалоподобного полисахарида гранулёзы (в виде зёрнышек-гранул), окрашиваемого йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет. Эти бактерии - строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30-40 °С, но есть и термофильные, у которых оптимум 70 °С. они чувствительны к кислотности среды: оптимум рН 6,9-7,4, а при рН ниже 4,5-4,9 развитие прекращается. Маслянкислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae рода Clostridium. Типичным их представителем является C. butyricum. Многие из клостридий способны сбраживать не только простые сахара, но и сложные соединения – декстрины, крахмал, пектиновые вещества, глицерин, соли молочной кислоты. По отношению к источникам азота эти бактерии неприхотливы. Они могут усваивать азот как белковый и аминокислотный, так и аммонийный; некоторые виды используют даже свободный азот из воздуха. Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Постоянные места обитания их – почва, илистые отложения на дне водоёмов, скопления разлагающихся растительных остатков. Встречаются они в различных пищевых продуктах.

Ацетоноэтиловое брожение

Данное брожение можно описать следующим уравнением:

2С6Н12О6 + Н2О → СН3СОСН3 + 2СН3 СН2ОН + 5СО2 + 4Н2 + энергия

Выход этилового спирта и ацетона стабилен и соотношение этих продуктов лежит в пределах 2,5:1 или 3,5:1. для хлебопекарного производства имеет значение способность некоторых видов бактерий (Propionebacterium, Aerobacter aerogenes) и молочнокислых бактерий (Lactobacillus pentosus, L. pentaaceticus) сбраживать пентозы (L-арабинозуб D-ксилозу) с образованием молочной, уксусной кислот, диоксида углерода, а также этилового спирта, муравьиной, янтарной, пропионовой кислот и др. в-в.

Таким образом, разнообразие микрофлоры сырья и полуфабрикатов хлебопекарного производства обусловливает сложность процессов брожения, которые определяются видом, количеством, чистотой применяемых культур бродильных микроорганизмов, параметрами процесса, обеспеченности микроорганизмов субстратом для сбраживания.

Наряду с основными продуктами – диоксидом углерода и спиртом или молочной кислотой в полуфабрикатах встречаются различные спирты, кислоты, карбонильные соединения. Фактичсекий баланс брожения весьма сложен.

Изучение видов бродильной микрофлоры и продуктов её жизнедеятельности показывает, что практически все типы брожения наблюдаются при брожении пшеничных и ржаных полуфабрикатов. В зависимости от целого ряда конкретных условий изменяется степень участия того или иного микроорганизма в суммарном процессе брожения. На активность микрофлоры влияют количество микроорганизмов, влажность полуфабрикатов, кислотность, температура, наличие кислорода, технологическая схема сбраживания, штаммы основных возбудителей брожения и другие факторы.

Изучение физиологических и биотехнологических свойств различных видов микроорганизмов показало, что такой важный в технологии хлебопекарного производства продукт, как диоксид углерода, вырабатывается не только при спиртовом брожении, но и при всех типах брожения, кроме гомоферментативного молочнокислого.

Для обеспечения комплекса процессов брожения, позволяющих получать готовый продукт наилучшего качества, необходимо усиливать жизнедеятельность представителей микрофлоры.

11

studfiles.net

Роль микроорганизмов в технологии пищевых производств — Мегаобучалка

Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих процессов лежат реакции обмена веществ, происходящих при росте и размножении некоторых микроорганизмов.

С помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты, органические кислоты и т.д.

 

Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности

Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, - бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.

Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.

Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по уравнению

C6h22O6 ® 2Ch4 – CH – COOH + 75 кДж

|

OH

В производстве ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гомоферментативные участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные, наряду с молочной кислотой, образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.

В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяется для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся молочная кислота подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ.

Маслянокислые бактерии превращают сахар в масляную кислоту по уравнению

C6h22O6 ® Ch4Ch3Ch3COOH + 2CO2 + h3 + Q

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению

C2H5OH + O2 ® Ch4COOH + h3O +487 кДж

Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении вызывает порчу пива.

Дрожжи. Применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, в хлебопечении.

Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных клетки изолированы друг от друга, а у хлопьевидных клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.

Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. сerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей 25-30 0С, а минимальная температура около 2-3 0С. При 40 0С рост прекращается, дрожжи отмирают, при низких температурах размножение приостанавливается.

Различают дрожжи верхового и низового брожения.

Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относят большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.

Как известно, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).

Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всего сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента дрожжей b - фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде не остается глюкозы и фруктозы, дрожжи потребляют мальтозу.

Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60 %, они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %.

В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:

C6h22O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6h3O + 2824 кДж

Так как процесс более энергетически богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под действием кислорода воздуха называют эффектом Пастера.

В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.

В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении.

В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Они должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата. Температура брожения 6-8 0С.

В виноделии ценят дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.

Зигомицеты– плесневые грибы, они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоварении при частичной замене солода несоложеным сырьем и т.д.

В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.

Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, с другой - в пищевые производства попадает инфекция, т.е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве) и из окружающей среды попадают в производство.

Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.

 

 

 

megaobuchalka.ru

БРОЖЕНИЕ — Большая Медицинская Энциклопедия

БРОЖЕНИЕ — совокупность процессов ферментативного превращения углеводов, осуществляемых в анаэробных условиях. Б.— это внутренний окислительно-восстановительный процесс, с помощью к-рого многие организмы получают хим. энергию из глюкозы и других веществ в отсутствие молекулярного кислорода. Б. принято рассматривать как простейшую форму биол, механизма, обеспечивающего получение энергии из питательных веществ.

Роль конечного продукта при Б. играет обычно какая-нибудь органическая молекула, образующаяся в ходе самого процесса Б. (спирт, молочная к-та, масляная к-та и др.). Хим. природа этих продуктов зависит в первую очередь от вида микроорганизма, осуществляющего анаэробное превращение углеводов. Большое значение имеют и условия протекания Б., в зависимости от которых один и тот же микроорганизм осуществляет Б. не только с различной скоростью, но и с образованием различных продуктов.

Продукты, образующиеся в ходе Б., частично используются самими микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности (развитие, рост, накопление общей биомассы). Хим. преобразования исходного субстрата, происходящие в ходе Б., сопровождаются использованием нек-рой части содержащейся в нем хим. (свободной) энергии для удовлетворения потребности организма в энергии и ее аккумуляции в виде богатых энергией (высокоэргических) соединений, важнейшим представителем которых является аденозинтрифосфорная кислота (см.). Т. о., Б. представляет собой один из видов энергетического обмена, особенностью к-рого является низкий коэффициент использования свободной энергии, содержащейся в молекулах органического вещества, подвергающегося Б. Низкая энергетическая эффективность обусловлена тем, что в процессе Б. не используется свободный кислород.

Начало интенсивного изучения Б. связано с описанием дрожжевых клеток [Каньяр-Латур (В. С. Cagniard-Latour) во Франции и Т. Шванн в Германии, 1836—1838]. В числе ученых, изучавших его, следует назвать Л. Пастера и 10. Либиха. Пастер, назвавший Б. «жизнью без кислорода», считал, что оно может вызываться только живыми дрожжевыми клетками. В противоположность ему Либих рассматривал сбраживание сахара как сложную хим. реакцию, не требующую участия живых организмов. Длительный спор по этому вопросу, имеющему не только чисто научное, но и философское значение, получил окончательное решение в результате работ М. М. Манассеиной (1871) и в особенности Э. Бухнера (1897), показавших способность бесклеточного дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение. Т. о., было доказано, что Б. является ферментативным процессом, протекающим и без участия живых клеток.

Дальнейшее исследование природы Б. показало, что в процессах Б. принимают участие целые ферментные системы, объединяемые ранее под общим названием «зимазы» (см. Ферменты). Параллельно шло выяснение хим. природы продуктов, образующихся при Б.

Выдающуюся роль в решении этих сложных задач сыграли исследования русских и советских ученых (А. Н. Лебедев, Л. А. Иванов, В. И. Палладии, С. П. Костычев, Я. О. Парнас и др.), а также и зарубежных [Харден (A. Harden), К. Нейберг, О. Мейергоф, Г. Эмбден и др.]. В частности, А. Н. Лебедев предложил новый, более простой способ получения бесклеточных ферментных препаратов из дрожжей путем аутолиза (самопереваривание). Фундаментальное значение для выяснения химизма Б. имело открытие Л. А. Иванова, показавшего (1905), что при спиртовом Б. распаду подвергается не свободная молекула сахара, а соединение последней с фосфорной к-той (фосфорилированная молекула сахара). Последующие исследования не только подтвердили выводы Л. А. Иванова, но и позволили убедиться в том, что реакциям фосфорилирования при Б. принадлежит ключевая роль (см. Гликолиз).

В зависимости от природы конечного продукта, образующегося в ходе процесса, различают несколько типов Б.

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение осуществляется так наз. дрожжеподобными организмами (Monilia, Oidium и др.), а также нек-рыми из плесневых грибков (напр., мукоровыми).

Спирт способны продуцировать и клетки высших растений, если они находятся в среде, лишенной кислорода. В этих условиях окислительный обмен растений осуществляется по пути, близкому к спиртовому Б. Наконец, в некоторых тканях высших растений (напр., клетки точек роста, или так наз. меристемы) образование спирта наблюдается и в условиях полной обеспеченности кислородом. Такого рода процессы называют аэробной ферментацией, к-рая по своей хим. природе также приближается к спиртовому Б.

Спиртовое брожение выражается суммарным уравнением реакции: C6h22O6 = 2CO2 + 2C2H5OH.

Из него следует, что при полном сбраживании 1 моля гексозы образуются 2 моля углекислого газа и 2 моля этилового спирта. Количество реализуемой в ходе этого процесса свободной энергии должно теоретически составлять 56 ккал на 1 моль сброженной гексозы, что составляет лишь незначительную часть того выхода энергии, который имеет место при нормальном аэробном дыхании (см. Аэробы). Вследствие этого для получения одного и того же количества энергии анаэробным организмам (см. Анаэробы) необходимо затратить по крайней мере в 10 раз большее количество сахаров, чем аэробным организмам.

Суммарное уравнение спиртового Б. не учитывает, что, помимо этилового спирта и углекислого газа, в ходе Б. образуются в незначительных количествах и некоторые другие соединения. К ним относятся амиловые спирты (см.), бутиловые спирты (см.) й некоторые другие, в совокупности образующие так наз. сивушные масла (см.). В числе продуктов спиртового Б. обнаруживают также ацетальдегид, янтарную к-ту и ряд других соединений, придающих специфический аромат и вкус вину, пиву и другим спиртным напиткам.

При спиртовом Б. используются молекулы сахаров различной степени сложности. Легче всего дрожжи сбраживают глюкозу и фруктозу, значительно хуже маннозу и особенно галактозу. Сахароза и мальтоза сбраживаются только после предварительного гидролиза. Лактозу способны сбраживать только особые виды дрожжей, содержащие фермент, гидролизующий этот дисахарид с образованием глюкозы и галактозы.

При наличии в среде кислорода энергообмен дрожжей осуществляется по пути нормального аэробного превращения, позволяющего тратить сахар гораздо более экономно. Сберегающее сахар влияние кислорода было впервые обнаружено Л. Пастером, в связи с чем оно стало именоваться эффектом Пастера.

Первые этапы превращений, к-рым подвергается глюкоза при спиртовом Б., состоят в активации молекулы сахара. Активация осуществляется постепенно, через ряд последовательно сменяющих друг друга отдельных реакций. Первым шагом повышения реакционной способности молекулы глюкозы является образование ее фосфорного эфира. Источником фосфорной к-ты становится молекула аденозинтрифосфата (АТФ), к-рая, отдавая эту группу, превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Перенос остатка фосфата от АТФ на глюкозу осуществляется при участии фермента гексокиназы (см.).

Этот этап связан с затратой энергии одной макроэргической связи молекулы АТФ.

Следующий этап состоит в изомеризации молекулы глюкозо-6-фос-фата и превращении ее во фруктозо-6-фосфат. Процесс осуществляет фермент глюкозофосфатизомераза [КФ 5. 3. 1. 9], который найден как в дрожжах, так и во многих других микроорганизмах и в тканях большого числа различных видов растений и животных. Активирование фруктозо-6-фосфата достигается путем присоединения к молекуле еще одного остатка фосфорной к-ты и образования фруктозо-1,6-дифосфата.

Источником фосфата и энергии, необходимой для этой реакции, также служит молекула АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой [К Ф 2. 7. 1. 11]. Последующим этапом является образование из молекулы фруктозо-1,6-дифосфата двух фосфотриоз — диоксиацетонфосфата и глицеральдегидфосфата (ГАФ). Фермент, катализирующий эту реакцию, называется альдолазой (см.).

В связи с особенностями ферментных систем, участвующих в спиртовом Б., из двух названных фосфотриоз в дальнейших превращениях участвует лишь ГАФ, что должно было бы повлечь за собой потерю для процесса Б. половины исходной молекулы глюкозы. Однако потеря эта предотвращается благодаря присутствию в клетке специфического фермента — фосфотриозоизомеразы, катализирующего обратимую реакцию: диоксиацетонфосфат <-> глицеральдегидфосфат. Тем самым обеспечивается возможность использования молекулы сахара полностью.

Окисление ГАФ катализируется глицеральдегидфосфатдегидрогеназой (ГАФД) и приводит к образованию богатого энергией соединения — 1,3-дифосфоглицерата (1,3 ДФГ). Общее уравнение реакции может быть представлено в следующем виде:

Реакция протекает в несколько этапов: одна из SH групп ГАФД участвует в присоединении НАД+ и образовании комплекса — .

К этому комплексу присоединяется ГАФ, осуществляется его окисление с образованием ацилэнзима:

Затем происходит передача водорода на НАД+ :

и транспорт ацила на остаток неорганического фосфата с образованием 1,3-дифосфоглицерата:

Богатая энергией связь остатка фосфорной к-ты в молекуле 1,3 ДФГ обеспечивает возможность образования АТФ и 3-фосфоглицериновой к-ты:

Внутримолекулярное перемещение остатка фосфата при участии фосфоглицеромутазы приводит к образованию 2-фосфоглицериновой к-ты, превращающейся затем в фосфоэнолпировиноградную к-ту. При дефосфорилировании фосфоэнолпировиноградной к-ты и ее превращении в пировиноградную к-ту (пируват) отщепляющийся фосфат переносится на АДФ. Энергия образующихся на данном этапе двух молекул АТФ и представляет собой тот чистый выигрыш в энергии, который клетка приобретает в ходе всей сложной цепи описанных выше процессов. Процессы эти носят универсальный характер и составляют основу не только спиртового, но и многих других видов Б., и в первую очередь гомоферментативного молочнокислого Б., называемого гликолизом (см.). Очень важно отметить, что перечисленные реакции приводят к образованию пирувата, используемого в качестве субстрата биол, окисления (см. Окисление биологическое) или дыхания.

В анаэробных условиях превращения пирувата могут идти различными путями. Так, в случае спиртового Б. от пирувата при участии фермента декарбоксилазы отщепляется CO2 и образуется уксусный альдегид:

Ch4-CO-COOH → CO2 + Ch4CHO.

При участии специфического фермента (алкогольдегидрогеназа) уксусный альдегид восстанавливается с образованием конечного продукта спиртового Б.— этилового спирта. Необходимый для этой реакции водород получается от восстановленного кофермента — никотинамидадениндинуклеотида, или НАД-Н. Если каким-либо путем предотвратить восстановление уксусного альдегида (напр., связав его с бисульфитом натрия), то водород НАД-Н может при участии фермента глицерофосфатдегидрогеназы реагировать с фосфотриозами и привести к образованию глицерофосфата, а затем и глицерина.

Одним из побочных продуктов спиртового Б. является ацетоин (ацетилметилкарбинол), Ch4—CO—CHOH—Ch4, образующийся при взаимодействии двух молекул пировиноградной к-ты или пировиноградной к-ты с уксусным альдегидом:

Ch4COCOOH + Ch4COH → Ch4COCHOH-Ch4 + CO2.

Он образуется в ходе так наз. карболигазной реакции, к-рая катализируется ферментами, выделенными из дрожжевых клеток и из высших растений. Образуется ацетоин и при других видах Б. Ацетоин хорошо растворим в воде, спирте, эфире. Следует упомянуть еще об одном из промежуточных продуктов распада углеводов при Б., который также является производным пировиноградной к-ты. Это метилглиоксаль (Ch4COCHO), который по своей химической природе представляет альдегид пирувата. При нагревании с водой или при подщелачивании водных растворов метилглиоксаль превращается в молочную к-ту. Он может быть образован и ферментативным путем — при действии специфического фермента метилглиоксилазы. Эти соединения образуются в очень незначительных количествах.

Молочнокислое брожение

Генетически связано со спиртовым Б. молочнокислое брожение, имеющее очень важное значение. В этом случае Пировиноградная к-та не декарбоксилируется, как при спиртовом Б., а непосредственно восстанавливается с участием специфической лактатдегидрогеназы за счет водорода НАД-Н.

Известны две группы молочнокислых бактерий. В первую из них входят гомоферментативные бактерии, которые образуют только молочную к-ту. Молочнокислые бактерии второй группы (гетероферментативные бактерии) образуют, кроме молочной, еще и уксусную к-ту, а также этиловый спирт (нередко в весьма значительных количествах), углекислый газ, муравьиную к-ту и некоторые другие продукты. Соотношение между этими продуктами зависит от многих условий (температура, pH среды и т. д.). Зачастую это обусловлено совместной деятельностью молочнокислых бактерий с дрожжами. Такого рода совместные «закваски» часто создаются искусственно и широко используются в хлебопечении — при приготовлении ржаного хлеба, в производстве хлебного кваса и ряда молочнокислых продуктов (сыр, кефир, простокваша, кумыс и пр.). Большое применение находит молочнокислое Б. в производстве молочной к-ты, используемой в ряде отраслей пищевой, текстильной и кожевенной промышленности.

Особенно эффективно молочнокислое Б. осуществляют термофильные микробы типа Thermobacterium cereale (ранее называвшиеся Lactobacillus delbrukii). Образуется молочная к-та и как один из продуктов превращений углеводов в мышечной ткани животных в процессе гликолиза.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение осуществляется в большинстве случаев облигатными анаэробами, т. е. организмами, способными существовать только в бескислородной среде.

В ходе маслянокислого Б. образуются не только масляная к-та, но в некоторых случаях и весьма значительные количества этилового спирта, молочной н уксусной кислот, а также газообразного водорода и углекислого газа. С помощью маслянокислого Б. осуществляется разложение органических веществ в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода (болота, заболоченные места). Большое промышленное значение имеет маслянокислое Б. пектиновых веществ, происходящее при замочке стеблей льна, конопли и получении волокон. Вместе с тем деятельность бактерий, осуществляющих этот вид Б., необходимо предотвращать при приготовлении различного рода пищевых продуктов во избежание ухудшения вкуса и порчи последних (напр., прогоркание сливочного масла, силоса и т. п.).

Спиртовое, молочно- и маслянокислое Б.— основные типы Б.; остальные многочисленные виды Б. представляют собой либо различные их сочетания, либо осуществляются на базе тех или иных продуктов, возникающих в ходе основного вида Б. Так, в результате уксуснокислого брожения происходит окисление этилового спирта при участии кислорода воздуха. Этот вид Б. осуществляется специфическими уксуснокислыми бактериями. Суммарное уравнение уксуснокислого Б.:

Ch4Ch3OH + O2 = Ch4COOH + h3O.

По исчерпании запасов спирта бактерии окисляют образованную им уксусную к-ту до углекислого газа и воды.

К Б., осуществляющемуся с участием О2, относится глюконовокислое брожение — образование глюконовой к-ты из глюкозы:

C6h22O6 + h3O + O2 → Ch3OH(CHOH)4COOH + h3O2.

Оно вызываемся нек-рыми бактериями и плесневыми грибами. Глюконовая к-та — ценное соединение, широко применяемое в медицине и фарм, промышленности (см. Глюконовая кислота).

Лимоннокислоe брожениe осуществляется нек-рыми представителями плесневых грибков; особенно эффективны отдельные штаммы Aspergillus niger. Исходным продуктом служит Пировиноградная к-та, превращение к-рой идет одновременно в двух направлениях. Часть ее окисляется в уксусную, тогда как другая, присоединяя углекислоту, образует щавелевоуксусную к-ту. При конденсации уксусной и щавелевоуксусной кислот образуется лимонная к-та. Помимо лимонной к-ты, при лимоннокислом Б. образуются бутиловый спирт, ацетон, а также этиловый спирт, углекислый газ и водород.

Бутанолово-ацетоновое брожение осуществляют анаэробные бактерии Clostridium acetobutylicum. Главные продукты, образующиеся в ходе этого вида Б.,— н-бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, углекислота, водород. Ацетоуксусная к-та (Ch4COCh3COOH) и образующийся при ее декарбоксилировании ацетон (Ch4COCh4), а также β-оксимасляная к-та составляют группу так наз. ацетоновых тел (см. Кетоновые тела), которые накапливаются в крови и моче животных при различных патологических состояниях и заболеваниях (диабет, голодание). В нормальных же условиях эти соединения окисляются с образованием безвредных для организма углекислоты и воды.

Высокая экономическая эффективность, чистота получаемых при Б. ценных продуктов лежат в основе все более широкого использования Б. в самых различных отраслях народного хозяйства.

Библиография: Кретович В.Л. Основы биохимии растений, М., 1971; Малер Г. иКордес Ю. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970; Рубин Б. А. Курс физиологии растений, М., 1971;Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967. библиогр.; Шапошников В. Н. Техническая микробиология, М., 1948; H a s s i d W. Z. Transformation of sugars in plants, Ann. Rev. plant Physiol., v. 18, p. 253, 1967, bibliogr.

Б. А. Рубин.

xn--90aw5c.xn--c1avg

Брожение — ЭНЭ

Рис. 1. Дрожжевые грибки.

Брожение (ферментация), биохимические процессы, сопровождающиеся распадением органических веществ на более простые; происходят с выделением тепла и часто углекислого газа. Б., как доказал франц. ученый Пастёр, является результатом деятельности особых, чрезвычайно маленьких, заметных только под микроскопом организмов — бактерий, дрожжевых грибков и др. Небольшие количества этих микроорганизмов способны сбраживать в десятки тысяч раз большие (по весу) количества материалов. Нем. химик Бухнер показал, что бродильное начало (так наз. энзимы, ферменты) находится в теле микроорганизмов и может быть выделено оттуда. Каждый вид брожения (пивного, уксусного, молочнокислого и друг.) вызывается особым энзимом. Брожение играет огромную роль в природе и в производствах. Спиртовое брожение — окисление глюкозы — ведется при помощи дрожжей (приготовление вина, пива, спирта).

Рис. 2. Уксуснокислые бактерии. Рис. 3. Молочно-кислые бактерии.

Как побочный продукт при спиртовом брожении получаются небольшие количества глицерина. При некоторых условиях весь бродильный процесс может быть направлен в эту сторону, что имеет важное значение для техническ. получения глицерина. Уксуснокислое брожение используется при приготовлении уксуса из легкого вина, а также при «созревании» сваленных в кучу зерен кофе или какао, где оно наступает после спиртового брожения. Молочно-кислое брожение — превращение сахара в молочную кислоту — в зависимости от сорта бактерий дает простоквашу и др. продукты; играет роль при созревании сыра, скисании капусты, огурцов, яблок; наряду со спиртовым брожением дает кефир, кумыс, квас. При приготовлении хлеба (брожение теста) образуются небольшие количества спирта, молочной кислоты и других продуктов. См. Гниение.

Литература:

• популярная —
  • Завадовский Б. М., О брожении, Вологда, 1925;
  • Костычев С, О брожении, М., 1919;
• специальная —
  • Простосердов Н., Алкогольное брожение, Москва, 1915;
  • Омелянский В. Л., Основы микробиологии, Москва, 1926.

В статье воспроизведен текст из Малой советской энциклопедии.

Брожение, процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе Б. в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и др. компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты Б. В зависимости от их характера различают брожение спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетоно-бутиловое, ацетоно-этиловое и др. виды. Характер Б., его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление Б. зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых Б. протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).

Спиртовое брожение

Схема спиртового брожения.В 1836 французский учёный Каньяр де ла Тур установил, что спиртовое брожение связано с ростом и размножением дрожжей. Химическое уравнение спиртового брожения: C6h22O6 ® 2C2H5OH + 2CO2 было дано французскими химиками А. Лавуазье (1789) и Ж. Гей-Люссаком (1815). Л. Пастер пришёл к выводу (1857), что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных условиях («брожение — это жизнь без воздуха»). В противовес этому немецкий учёный Ю. Либих упорно настаивал на том, что Б. происходит вне живой клетки. На возможность бесклеточного спиртового Б. впервые (1871) указала русский врач-биохимик М. М. Манассеина. Немецкий химик Э. Бухнер в 1897, отжав под большим давлением дрожжи, растёртые с кварцевым песком, получил бесклеточный сок, сбраживающий сахар с образованием спирта и CO2. При нагревании до 50°C и выше сок утрачивал бродильные свойства. Всё это указывало на ферментативную природу активного начала, содержащегося в дрожжевом соке. Русский химик Л. А. Иванов обнаружил (1905), что добавленные к дрожжевому соку фосфаты в несколько раз повышают скорость Б. Исследования отечественных биохимиков А. И. Лебедева, С. П. Костычева, Я. О. Парнаса и немецких биохимиков К. Нейберга, Г. Эмбдена, О. Мейергофа и др. подтвердили, что фосфорная кислота участвует в важнейших этапах спиртового брожения.

В дальнейшем многие исследователи детально изучили ферментативную природу и механизм спиртового брожения (см. схему). Первая реакция превращения глюкозы при спиртовом Б. — присоединение к глюкозе под влиянием фермента глюкокиназы остатка фосфорной кислоты от аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ, см. Аденозинфосфорные кислоты). При этом образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и глюкозо-6-фосфорная кислотата. Последняя под действием фермента глюкозофосфати-зомеразы превращается в фруктозо-6-фосфорную кислоту, которая, получая от новой молекулы АТФ (при участии фермента фосфофруктокиназы) ещё один остаток фосфорной кислоты, превращается в фруктозо-1,6-дифосфорную кислоту. (Эта и следующая реакции, обозначенные встречными стрелками, обратимы, т. е. их направление зависит от условий — концентрации фермента, pH и др.) Под влиянием фермента кетозо-1-фосфатальдолазы фруктозо-1,6-дифосфорная кислота расщепляется на глицеринальдегидфосфорную и диоксиацетонфосфорную кислоты которые могут превращаться друг в друга под действием фермента триозофосфатизомеразы. Глицеринальдегидфосфорная кислота, присоединяя молекулу неорганической фосфорной кислоты и окисляясь под действием фермента дегидрогеназы фосфоглицеринальдегида, активной группой которого у дрожжей является никотинамидадениндинуклеотид (НАД), превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Молекула диоксиацетонфосфорной кислоты под действием триозофосфатизомеразы даёт вторую молекулу глицеринальдегидфосфорной кислоты, также подвергающуюся окислению до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты; последняя, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткиназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в З-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеро-мутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, а она под влиянием фермента фосфопируват-гидратазы — в фосфоенол-пировиноградную кислоту. Последняя при участии фермента пируваткиназы передаёт остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула енолпировиноградной кислоты, которая весьма нестойка и переходит в пировиноградную кислоту. Эта кислота при участии имеющегося в дрожжах фермента пируватдекарбоксилазы расщепляется на уксусный альдегид и двуокись углерода. Уксусный альдегид, реагируя с образовавшейся при окислении глицеринальдегидфосфорной кислоты восстановленной формой никотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н), при участии фермента алкогольдегидрогеназы превращается в этиловый спирт. Суммарно уравнение спиртового Б. может быть представлено в следующем виде:

C6h22O6 + 2h4PO4 + 2АДФ ® 2Ch4Ch3OH + 2CO2 + 2АТФ.

Т. о., при сбраживании 1 моля глюкозы образуются 2 моля этилового спирта, 2 моля CO2, а также в результате фосфорилирования 2 молей АДФ образуются 2 моля АТФ. Термодинамические расчёты показывают, что при спиртовом Б. превращение 1 моля глюкозы может сопровождаться уменьшением свободной энергии примерно на 210 кдж (50 000 кал), т. е. энергия, аккумулированная в 1 моле этилового спирта, на 210 кдж (50 000 кал) меньше энергии 1 моля глюкозы. При образовании 1 моля АТФ (макроэргических — богатых энергией фосфатных соединений) используется 42 кдж (10 000 кал). Следовательно, значительная часть энергии, освобождающейся при спиртовом Б., запасается в виде АТФ, обеспечивающей разнообразные энергетические потребности дрожжевых клеток. Такое же биологическое значение имеет процесс Б. и у др. микроорганизмов. При полном сгорании 1 моля глюкозы (с образованием CO2 и h3O) изменение свободной энергии достигает 2,87 Мдж (686 000 кал). Иначе говоря, дрожжевая клетка использует лишь 7% энергии глюкозы. Это показывает малую эффективность анаэробных процессов по сравнению с процессами, идущими в присутствии кислорода. При наличии кислорода спиртовое Б. угнетается или прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности в процессе дыхания. Наблюдается тесная связь между Б. и дыханием микроорганизмов, растений и животных. Ферменты, участвующие в спиртовом Б., имеются также в тканях животных и растений. Во многих случаях первые этапы расщепления сахаров, вплоть до образования пировиноградной кислоты, — общие для Б. и дыхания. Большее значение процесс анаэробного распада глюкозы имеет и при сокращении мышц (см. Гликолиз), первые этапы этого процесса также сходны с начальными реакциями спиртового Б.

Сбраживание углеводов (глюкозы, ферментативных гидролизатов крахмала, кислотных гидролизатов древесины) используется во многих отраслях промышленности: для получения этилового спирта, глицерина и др. технических и пищевых продуктов. На спиртовом Б. основаны приготовление теста в хлебопекарной промышленности, виноделие и пивоварение.

Молочнокислое брожение

Молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы — гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus delbrückii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением:

C6h22O6 = 2Ch4CHOH·COOH.

Гетероферментативные бактерии (например, Bacterium lactis aerogenes) ведут сбраживание с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и CO2, а также образуют небольшое количество ароматических. веществ — диацетила, эфиров и т.д.

При молочнокислом Б. превращение углеводов, особенно на первых этапах, близко к реакциям спиртового Б., за исключением декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая восстанавливается до молочной кислоты за счёт водорода, получаемого от НАД-Н. Гомоферментативное молочнокислое Б. используется для получения молочной кислоты, при изготовлении различных кислых молочных продуктов, хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве. Гетероферментативное молочнокислое Б. происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.

Маслянокислое брожение

Сбраживание углеводов с преимущественным образованием масляной кислоты производят многие анаэробные бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Первые этапы расщепления углеводов при маслянокислом Б. аналогичны соответстветственным этапам спиртового Б., вплоть до образования пировиноградной кислоты, из которой при маслянокислом Б. образуется ацетил-кофермент A (Ch4CO-KoA). Ацетил-KoA может служить предшественником масляной кислоты, подвергаясь следующим превращениям:

Маслянокислое Б. применялось для получения масляной кислоты из крахмала.

Ацетоно-бутиловое Б. бактерии Clostridium acetobutylicum сбраживают углеводы с преим. образованием бутилового спирта (Ch4Ch3Ch3Ch3OH) и ацетона (Ch4COCh4). При этом образуются также в сравнительно небольших количествах водород, CO2, уксусная, масляная кислоты, этиловый спирт. Первые этапы расщепления углеводов те же, что и при спиртовом Б. Бутиловый спирт образуется путём восстановления масляной кислоты:

Ch4Ch3Ch3COOH + 4H = Ch4Ch3Ch3Ch3OH + h3O.

Ацетон же образуется декарбоксилированием ацетоуксусной кислоты, которая получается в результате конденсации двух молекул уксусной кислоты. Исследованиями В. Н. Шапошникова показано, что ацетоно-бутиловое Б. (как и ряд др., например пропионовокислое, маслянокислое) в опытах с растущей культурой происходит в две фазы. В первую фазу Б. параллельно с нарастанием биомассы накапливаются уксусная и масляная кислоты; во вторую фазу образуются преимущественно ацетон и бутиловый спирт. При ацетоно-бутиловом Б. сбраживаются моносахариды, дисахариды и полисахариды — крахмал, инсулин, но не сбраживаются клетчатка и гемицеллюлоза. Ацетоно-бутиловое Б. использовалось для промышленного получения бутилового спирта и ацетона, применяемых в химической и лакокрасочной промышленности (см. также Ацетоно-бутиловое брожение и Ацетоно-этиловое брожение).

Сбраживание белков.

Некоторые бактерии из рода Clostridium — гнилостные анаэробы — способны сбраживать не только углеводы, но и аминокислоты. Эти бактерии более приспособлены к использованию белков, расщепляемых ими при помощи протеолитических ферментов до аминокислот, которые затем подвергаются Б. Процесс сбраживания белков имеет значение в круговороте веществ в природе (см. Гниение).

Пропионовокислое брожение

Основные продукты пропионовокислого Б., вызываемого несколькими видами бактерий из рода Propionibacterium, — пропионовая (Ch4Ch3OH) и уксусная кислоты и CO2. Химизм пропионовокислого Б. сильно изменяется в зависимости от условий. Это, по-видимому, объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например в зависимости от аэрации. При доступе кислорода они ведут окислительный процесс, а в его отсутствии расщепляют гексозы путём Б. Пропионовые бактерии способны фиксировать CO2, при этом из пировиноградной к-ты и CO2 образуется щавелевоуксусная к-та, превращающаяся в янтарную к-ту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая к-та:

Существуют Б., которые сопровождаются и восстановительными процессами. Примером такого «окислительного» Б. служит лимоннокислое Б. Многие плесневые грибы сбраживают сахара с образованием лимонной кислоты. Наиболее активные штаммы Aspergillus niger превращают до 90% потребленного сахара в лимонную кислоту. Значительная часть лимонной кислоты, используемой в пищевой промышленности, производится микробиологическим путём — глубинным и поверхностным культивированием плесневых грибов.

Иногда по традиции и чисто окислительные процессы, осуществляемые микроорганизмами, называется Б. Примерами таких процессов могут служить уксуснокислое и глюконовокислое Б.

Уксуснокислое брожение

Бактерии, относящиеся к роду Acetobacter, окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту в соответствии с суммарной реакцией:

Промежуточное соединение при окислении спирта в уксусную кислоту — уксусный альдегид. Многие уксуснокислые бактерии, кроме окисления спирта в уксусную кислоту, осуществляют окисление глюкозы в глюконовую и кетоглюконовую кислоты.

Глюконовокислое брожение

осуществляют и некоторые плесневые грибы, способные окислять альдегидную группу глюкозы, превращая последнюю в глюконовую кислоту:

Кальциевая соль глюконовой кислоты служит хорошим источником кальция для людей и животных.

Литература:

• Шапошников В. Н., Техническая микробиология, М., 1948;
• Прескот С., Дан С., Техническая микробиология, пер. с англ., М., 1952;
• Пастер Л., Избр. труды, пер. с франц., т. 1—2, М., 1960;
• Кретович В. Л., Основы биохимии растений, 4 изд., М., 1964;
• Фробишер М., Основы микробиологии, пер. с англ., М., 1965;
• Фердман Д. Л., биохимия, М., 1966;
• Работнова И. Л., Общая микробиология, М., 1966.

В. И. Любимов.

Эта статья или раздел использует текст Большой советской энциклопедии.

Брожение - процесс разложения природного органического сырья (ягоды, фрукты, молоко, крахмал ит.п.) под действием бактерий или грибов.

Ещё в доисторические времена люди заметили, что всякий сок, выжатый из фруктов и оставленный в сосуде, хотя бы и плотно закупоренном, вскоре начинает как бы кипеть, мутиться, пениться, и, если сосуд крепко закупорен, то даже разрывает его, и в результате превращается в опьяняющий напиток — вино. Это изменение сока в вино люди и назвали брожением. Долгое время не знали, отчего оно происходит. Лишь в 60-х годах XIX столетия французский ученый Луи Пастер изучил этот вопрос и выяснил, что брожение всякой сладкой, т. е. содержащей сахаристые вещества жидкости происходит оттого, что в ней поселяются, размножаются и живут особые низшие организмы, которые были названы дрожжами или дрожжевыми грибками.

Дрожжевые грибки представляют собой кругловатые или удлиненные тельца и настолько малы, что их можно рассмотреть лишь в микроскоп. Огромные скопления грибков и представляют собой ту серовато-жёлтую массу, которая оседает на дне сосуда, в котором протекает брожение. Благодаря тому, что эти грибки чрезвычайно мелки и при высыхании не теряют жизнеспособности, а становясь очень легкими, переносятся всюду с воздухом, не может быть такого случая, чтобы в сок, простоявший на воздухе открыто хотя бы несколько минут, не попало хотя бы одного такого грибка. Эти грибки могут быть убиты лишь кипячением такого сока.

Дрожжевые грибки нуждаются в теплоте для своей жизнедеятельности, и тепло это добывают тем, что сжигают (окисляют) углеводы (сахар ит.п. вещества), при этом и выделяется теплота. Но в отличие от более совершенных организмов — человека и животных — дрожжевые грибки сжигают эти углеводы не до конца, а прерывают сгорание как бы на середине, довольствуясь для своей жизни лишь этим неполным сгоранием. При этом этот сахар дрожжевые грибки превращают в спирт и углекислый газ.

Дрожжевых грибков, бактерий и других организмов в природе имеется очень много разных видов и между ними есть такие, которые, подхватывая недоконченную работу дрожжей спиртового брожения, ведут ее дальше. Таковы, например, бактерии и грибки уксусного брожения, которые сжигают (опять таки частично) образовавшийся спирт и превращают его в уксусную кислоту, выделяя при этом некоторое количество тепла и продолжая, следовательно, процесс сжигания сахара дальше. Имеются организмы, которые дальше разлагают уксусную кислоту и т. д. до тех пор, пока в конце концов все не превратится в углекислый газ и воду, т. е. пока процесс окисления сахара не будет доведен до конца.

Внутри каждого тельца дрожжевого грибка содержится жидкость, называемая дрожжевым соком. В этом соке содержатся ферменты (энзимы), которые собственно и производят брожение, расщепляя сахар и другие вещества. У каждого вида грибков, бактерий и других организмов имеется свой собственный энзим. Так, у дрожжевых грибков, вызывающих спиртовое брожение, в соке содержится фермент алкоголяза, который, действуя на сахар, превращает его в спирт и углекислый газ. Это превращение сахара в спирт и называется спиртовым брожением. Молочнокислое брожение, при котором образуется молочная кислота, необходимо при заквашивании кормов, капусты, для квасоварения и др. Уксуснокислое брожение применяется для производства пищевого уксуса. Маслянокислое брожение, при котором образуется масляная кислота, вызывает прогорклость коровьего масла.

Ссылки

wiki.laser.ru

---

• 
  Термотолерантные дрожжи
• 
  Термотолерантные дрожжи
• 
  Дрожжи термотолерантные
• 
  Дрожжи термотолерантные
• 
  М20 дрожжи
• 
  М20 дрожжи
• 
  Дрожжи 1084
• 
  Дрожжи 1084
• 
  1084 дрожжи
• 
  1084 дрожжи
• 
  Дрожжи м41