Спиртовое брожение (определение, возбудители, химизм, практическое значение)

История изучения

Лавуазье в конце XVIII века установил, что в ходе спиртового брожения сахар разлагается на спирт и углекислый газ. Вскоре после этого Гей-Люссак показал, что суммарная масса спирта и углекислого газа равна массе расщеплённого сахара.

В 30-е годы XIX века Ш. Каньяр де Латур и Теодор Шванн окончательно установили, что дрожжи (открытые Антони ван Левенгуком) — это живые клетки, и высказали идею о том, что брожение — результат их жизнедеятельности. Эта идея была отвергнута ведущими химиками того времени — Либихом, Берцелиусом и др.

Брожение было подробно изучено во второй половине XIX века Луи Пастером. Пастер убедительно доказал, вопреки господствовавшей тогда точке зрения, что брожение — процесс не чисто химический и происходит только в присутствии живых клеток микроорганизмов.

В 1893—1898 гг. Э. Бухнер показал, что брожение может происходить не только в клетках дрожжей, но и в бесклеточном дрожжевом экстракте (Нобелевская премия по химии 1907 г.). Благодаря его работам стало ясно, что многие биохимические реакции можно осуществить in vitro.

Спиртовое брожение

Однако не только бактерии являются фабриками по разложению глюкозы на составляющие с образованием новых органических соединений. Человеку давно известен способ получения этанола с помощью одноклеточных грибов – дрожжей. Осуществляющие спиртовое брожение дрожжи выделены в отдельную внетаксономическую группу, причем границы этой группы еще не до конца определены.

По генетическому анализу спиртовые дрожжи имеют общие родственные связи с аксомицетами (несовершенными грибами). Одни из самых известных несовершенных грибов – трюфели.

Процесс спиртового брожения по способу мало чем отличается от других видов преобразования глюкозы. Спиртовые дрожжи в отсутствии кислорода переключаются на анаэробное дыхание (если кислород есть, спиртовые дрожжи дышат только им). Этот эффект спиртовых дрожжей исследовал и описал Луи Пастер. Теперь он так и называется: эффект Пастера.

Кроме того, если во время брожения в субстрат добавлять некоторые химические вещества, то меняется состав продуктов брожения. Так, например, можно получить глицерин.

Но не только дрожжи могут сбраживать глюкозу с образованием этанола, есть один род бактерий – Sarcina. Эти микроорганизмы осуществляют сбраживание по тому же пути, что и дрожжи. Кроме процессов, в которых спирт является основным продуктом, есть еще процесс, где этанол – побочный продукт брожения. Эти процессы протекают в организмах клостридий и энтеробактерий.

Периодический метод брожения

При периодическом проведении осахаривания бродильный чан заполняют осахаренной массой через определенные промежутки времени; дрожжи вводят в бродильный чан вместе с первой порцией осахаренной массы, последующие порции осахаренной массы сливают в бродильный чан без дрожжей. При непрерывном осахаривании бродильный чан заполняется непрерывно; дрожжи вводят в бродильный чан одновременно с осахаренной массой. Дрожжи спускают с такой скоростью, чтобы количество их по отношению к спускаемому суслу было не более 50%. При большем количестве дрожжей из-за их высокой кислотности (0,7-0,9°) возможна инактивация амилазы.

Независимо от способа заполнения бродильного чана количество дрожжей должно быть 6-8% от объема бродильного чана. Наполнение бродильного чана продолжается не более 8 ч.

Длительность брожения 72 ч, считая от начала залива до начала перегонки. При недостаточном числе бродильных чанов допускается длительность брожения 48 ч. Выход спирта в первом случае выше (на 0,8 дал из 1 т крахмала). Температурный режим при трехсуточном брожении 19-20°С, в период возбраживания 23-24°С, главного брожения 29-30°С, дображивания 27-28°С. Температура регулируется подачей холодной воды через змеевики. По окончании брожения зрелую бражку направляют на перегонку. Бродильный чан после освобождения моют, дезинфицируют, стерилизуют и снова включают в работу.

Биохимия процесса

Энзимные реакции

Первым этапом спиртового брожения является гликолиз, во время которой одна молекула D-глюкозы преобразуется в две молекулы пирувата. У хлебопекарных дрожжей (S. cerevisiae) во время этого образуются две молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) из двух молекул аденозиндифосфата (АДФ) и двух фосфатов посредством субстратного фосфорилирования. У Zymomonas mobilis образуется только одна молекула АТФ. Помимо этого две молекулы NAD+ (Никотинамидадениндинуклеотид) восстанавливаются до NADH.

Для гликолиза требуется регенерация NAD+ , что происходит посредством нижеследующих процессов. От каждой молекулы пирувата отщепляется посредством энзима пируватдегидрогеназны молекула диоксида углерода. Кофакторами в этой реакции выступает тиаминпирофосфат и два иона магния. В процессе образуется ядовитый для живых организмов ацетальдегид.

CH3−CO−COOH⟶CH3−CHO+CO2{\displaystyle CH_{3}-CO-COOH\longrightarrow CH_{3}-CHO+CO_{2}}

Процесс восстановления ацетальдегида катализируется алкогольдегидрогеназой содержащей ион цинка, который поляризует карбоксильную группу ацетальдегида. Поэтому два электрона и один протон могут быть переданы от NADH ацетальдегиду , таким образом образуются алкоголь и NAD+. Данные реакции протекают в цитоплазме клетки.

CH3−CHO+NADH+H+⇄CH3−CH2OH+NAD+{\displaystyle CH_{3}-CHO+NADH+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}-CH_{2}OH+NAD^{+}}

Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и CO2{\displaystyle CO_{2}}, а не молочная кислота, как в молочнокислом брожении.

В результате получается реакция:

C6H12O6⟶2C2H5OH+2CO2{\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}}

Спиртовое брожение сопровождается запасанием энергии в виде АТФ. Суммарно реакцию можно записать так:

C6H12O6+H3PO4+2ADP⟶2C2H5OH+2CO2+2ATP{\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}+H_{3}PO_{4}+2ADP\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}+2ATP}

Алкогольдегидрогеназа катализирует также и обратную реакцию, расщепления алкоголя, которая происходит у человека в печени. Ацетальдегид токсичен и является, помимо потери влаги, главной причиной для головной боли и тошноты после чрезмерного потребления алкоголя.

При спиртовом брожении у дрожжей могут возникать побочные продукты как метанол, бутанол, амиловый спирт и гексанол. Они возникаю не посредством вышеописанного процесса, а к примеру в процессе разложения аминокислот. В организме метанол перерабатывается алкогольдегидрогеназой в токсичный формальдегид. При потреблении низкокачественного алкоголя (с содержанием метанола) в теле человека образуется большое количество формальдегида, который в свою очередь повреждает разнообразные белки, как например высокочувствительные сенсоры в глазах, что может привести к мышечным спазмам, слепоте и смерти.

Другие субстраты

Помимо глюкозы и другие моносахариды могут быть задействованы в спиртовом брожении. Большинство видов дрожжей предпочитают именно глюкозу, поэтому в процессе производства вина из винограда, в котором в равной мере содержится как фруктоза так и глюкоза, преимущественно глюкоза превращается в алкоголь. Если не весь сахар перерабатывается, то в готовом вине будут чувствоваться сладкие нотки. Большую часть сахара в этом случае будет составлять фруктоза.

D-фруктоза может быть фосфорилирована гексокиназой и встроена в цикл гликолиза. Альтернативный путём является преобразование фруктозы посредством фруктокиназы в фруктозо-1-фосфат, который далее расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолазой на глицеральдегид и дигидроксиацетон-3-фосфат. Последний является промежуточным продуктом гликолиза и образуется в ходе реакции, катализируемой фруктозо-1,6-бисфосфосфатальдолазой. Глицеральдегид может включаться в гликолиз после его фосфорилирования с участием АТФ.

При наличии нужных энзимов дисахариды могут также быть переработаны в алкоголь. В присутствии инвертазы сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу, которые встраиваются в цикл гликолиза вышеописанным образом. А при наличии бета-галактозидаза лактоза может быть расщеплён на глюкозу и галактозу. Схожие процессы верны и для полисахарид.

Лактобактерии в фармацевтической промышленности

Наука не перестает изучать мир бактерий, постоянно открывая новые их виды, а также новые свойства уже известных видов. Многие из открытых свойств пока еще не получили научного подтверждения, поэтому данный вид научных исследований является довольно перспективным. К примеру, недавно выяснилось, что лактобактерии помогают пациентам с непереносимостью лактозы снизить симптомы заболевания.

В фармацевтике для производства препаратов чаще всего используют бактерии рода Lactobacillus. К примеру, такой вид, как Lactobacillus Rhamnosus, успешно применяется для изготовления лекарств от диареи. Последние научные открытия позволяют говорить о том, что лактобактерии способны предотвратить появление онкологических заболеваний.

Ацидофильные бактерии способны самостоятельно вырабатывать антибиотики, которые уничтожают дизентерийные бактерии, стафилококки, кишечную палочку и сальмонеллы, а также влияют на метаболизм, что положительно сказывается на здоровье человека. Образуя в кишечнике свои колонии, эти микроорганизмы предотвращают процессы брожения и гниения. Помимо этого, ацидофильная палочка повышает способность организма усваивать молочный белок, что способствует всасыванию кальция.

Как правило, для производства лекарственных препаратов для нормализации кишечной микрофлоры используют комплексы молочнокислых бактерий. Для того чтобы их свойства сохранялись в препаратах длительное время, в фармацевтике используют лиофилизированные лактобактерии. В процессе лиофилизации молочнокислые бактерии предварительно замораживают, а затем высушивают в вакууме.

Лиофилизированные микроорганизмы малочувствительны к изменению температуры хранения и способны легко возвращаться в свое первоначальное состояние при добавлении воды либо других растворителей. Поэтому лиофилизат бактерий обязательно хранят в герметичных ампулах или флаконах для того, чтобы исключить их контакт с влагой.

К примеру, лиофилизат молочнокислых бактерий, которые устойчивы к антибиотикам, широко используется для производства медицинских препаратов, регулирующих равновесие кишечной микрофлоры человека даже во время приема антибиотиков. Поэтому чаще всего такие препараты назначаются пациентам в комплексе с антибиотиками при лечении бактериальных инфекций, чтобы поддерживать микрофлору кишечника в нормальном состоянии.

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.

Биохимия

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза

Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях.. В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид)

В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Виды молочнокислого брожения

Различают т. н. гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое брожение

При гомоферментативном молочнокислом брожении углевод сначала окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН +Н (образовавшегося на стадии гликолиза при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата) при помощи лактатдегидрогеназы . От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы зависит, какой энантиомер молочной кислоты будет превалировать в продуктах- L-, D- молочная кислота или же DL-рацемат . Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота , которая составляет не менее 90 % всех продуктов брожения. Промежуточными продуктами являются: глюкозо-6-фосфат , фруктозо-6-фосфат , фруктозо-1,6-дифосфат , 3-фосфоглицериновый альдегид, 1,3-дифосфоглицериновая кислота , пировиноградная кислота . Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei
, L. acidophilus
, Streptococcus lactis
.

Гетероферментативное молочнокислое брожение

В отличие от гомоферментативного брожения, деградация глюкозы идет по пентозофосфатному пути, образующийся из ксилулозо-5-фосфата глицеральдегид-3-фосфат окисляется до молочной кислоты, а ацетилфосфат восстанавливается до этанола (некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии окисляют полученный этанол частично или полностью до ацетата). Таким образом, при гетероферментативном молочнокислом брожении образуется больше продуктов: молочная кислота,

Природа позволяет человеку пользоваться теми благами, что в ней имеются. При этом люди стараются эти богатства приумножать, создавать что-то новое и познавать еще неизвестное. Бактерии — это мельчайшие создания природы, которых также научился использовать в своих целях человек.

Но не только вред, сопряженный с патогенными процессами и болезнями, несут в себе эти прокариотические организмы

Они еще являются источником важного промышленного процесса, который издревле применяется людьми — брожения. В данной статье мы рассмотрим, что собой представляет этот процесс и как осуществляется конкретно молочнокислое сбраживание веществ

Алкогольные напитки

Погреб первичного брожения, пивоварня Budweiser, Форт-Коллинз, Колорадо

Весь этанол, содержащийся в алкогольных напитках (включая этанол, полученный угольной мацерацией ), производится путем ферментации, вызванной дрожжами.

• Вино получают путем ферментации натуральных сахаров, содержащихся в винограде; сидр и перри производятся путем аналогичной ферментации натурального сахара в яблоках и грушах соответственно; и другие фруктовые вина производятся путем ферментации сахаров любых других фруктов. Бренди и коньячные спирты (например, сливовица ) производятся путем дистилляции этих фруктовых напитков.
• Медовуха получают путем ферментации натуральных сахаров, содержащихся в меде .
• Пиво , виски , а иногда и водка производятся путем ферментации зерновых крахмалов, которые были преобразованы в сахар ферментом амилазой , который присутствует в зернах зерна, подвергшихся соложению (т. Е. Проросшим ). К смеси могут быть добавлены другие источники крахмала (например, картофель и несоложеное зерно), так как амилаза также действует на эти крахмалы. В некоторых странах он также может быть ферментированным слюной, вызванным амилазой . Виски и водка также являются дистиллированными; джин и подобные напитки производятся путем добавления ароматизаторов к водочеподобному сырью во время дистилляции.
• Рисовые вина (включая саке ) производятся путем ферментации зерновых крахмалов, превращенных в сахар плесенью Aspergillus oryzae . Байдзю , соджу и сётю перегоняют из продуктов такого брожения.
• Ром и некоторые другие напитки производятся путем ферментации и дистилляции сахарного тростника . Ром обычно получают из патоки сахарного тростника .

Во всех случаях ферментация должна происходить в емкости, которая позволяет выходить углекислому газу, но предотвращает попадание наружного воздуха. Это необходимо для снижения риска заражения пива нежелательными бактериями или плесенью, а также потому, что накопление диоксида углерода создает риск. судно разорвется или выйдет из строя, что может привести к травмам или повреждению имущества.

Биохимия

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза

Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях.. В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид)

В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Механизм[править | править код]

Как правило, молочнокислые бактерии сбраживают сахара. В зависимости от конечных продуктов молочнокислое брожение подразделяют на гомоферментативное и гетероферментативное.

Некоторые молочнокислые бактерии, наряду с сахарами, могут сбраживать органические кислоты. Так, и осуществляют так называемое яблочно-молочнокислое брожение, при котором яблочная кислота превращается в молочную под действием фермента малатдегидрогеназы. Streptococcus diacetilactis и Pediococcus ceravisiae используют лимонную кислоту, которая в небольшом количестве содержится в молоке, которая с помощью расщепляется на ацетат и оксалоацетат. Оксалоацетат далее декарбоксилируется до пирувата, который и восстанавливается до лактата.

Гомоферментативное брожениеправить | править код

Общая схема гомоферментативного молочнокислого брожения

При гомоферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через гликолиз, и около 90 % конечного продукта приходится на лактат (остальные 10 % составляют ацетат, ацетоин и этанол). Субстратом для гомоферментативного молочнокислого брожения служат лактоза, другие моно- и дисахариды, а также органические кислоты. Общее уравнение гомоферментативного брожения: глюкоза → 2 лактат + 2 АТФ.

Гомоферментативное брожение осуществляют представители родов Streptococcus, , многих видов рода Lactobacillus, которые обитают в желудочно-кишечном тракте и молочных железах млекопитающих, а также на поверхности растений.

Гетероферментативное брожениеправить | править код

Схема гетероферментативного молочнокислого брожения

При гетероферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через пентозофосфатный путь, и на долю молочной кислоты приходится лишь около половины конечного продукта. Помимо лактата, при гетероферментативном брожении образуются ацетат, этанол и углекислый газ. Основным субстратом для гетероферментативного молочнокислого брожения является мальтоза. Ацетил-КоА может преобразовываться в двух направлениях: либо окисляться до ацетата, давая ещё одну молекулу АТФ, либо восстанавливаться до этанола за счёт NADH + H+. У гетероферментативных бактерий нет ключевых ферментов гликолиза — альдолазы и — из-за чего бактерии не могут окислять сахара с помощью гликолиза. У некоторых лактобактерий гидролиз мальтозы сопровождается ее фосфорилированием с образованием глюкозо-6-фосфата и галактозы. При этом энергетический выход брожения повышается.

К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся некоторые виды рода Lactobacillus (, и другие), а также представители рода .

Некоторые гомоферментативные бактерии, оказываясь в среде, содержащей пентозы, начинают вырабатывать каталазу и могут переходить на гетероферментативное брожение. Так, Lactobacillus plantarum, обитающая на растительных остатках, использует гликолиз для окисления гексоз, а пентозы окисляет по пентозофосфатному пути с образованием лактата и ацетата.

Ряд гетероферментативных бактерий очень чувствителен к окружающим условиям. Так, , которая в качестве одного из продуктов образует этанол, при соприкосновении с кислородом производит значительное количество полисахаридов и из-за этого ослизняется.