Спиртовое брожение (определение, возбудители, химизм, практическое значение)
1.1 Спиртовое брожение и химизм
Брожение - это процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения 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 брожения. В зависимости от их характера различают брожения спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и др. виды. Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожения зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).
К брожению в строгом смысле слова относятся те процессы получения энергии, при которых отщепляемый от субстрата водород переносится, в конечном счете, на органические акцепторы. Кислород в процессах брожения не участвует.
Л. Пастер называл брожение жизнью без воздуха. Причины брожения были установлены еще в середине XIX в. Л. Пастером, который показал, что в аэробных условиях дрожжи образуют из определенного количества сахара примерно в 20 раз больше клеточного материала, чем в анаэробных. Он открыл также, что кислород подавляет брожение. Этот эффект, получивший название эффекта Пастера, приобрел с тех пор известность как один из классических примеров регуляции обмена веществ.
В 1896-1897 гг. было обнаружено "бесклеточное брожение" - брожение, вызываемое растертыми прессованными пивными дрожжами. Это первый сложный биохимический процесс, осуществленный вне клетки.
Позднее было установлено, что для сбраживания глюкозы дрожжам необходим неорганический фосфат. Иначе говоря, брожение - процесс превращения соединений углерода, как в анаэробных, так и аэробных условиях [2 с.117].
Спиртовое брожение - это процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:
С6Н12О6 = 2С2Н2ОН + 2СО2 + 27 ккал
Сахар Этиловый Углекислый
спирт газ
Этиловый спирт - один из широко распространенных продуктов сбраживания Сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.
Рассмотрим химизм спиртового брожения.:.
Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в аэробных условиях, подбирая соответствующие расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства.
Процесс спиртового брожения осуществляется с тем же запасом энергии в форме АТФ и тем же ферментативным путем, что и гликолиз, вплоть до образования пировиноградной кислоты. Превращение пировиноградной кислоты в этиловый спирт происходит в два этапа.
Сначала пируват (пировиноградная кислота) декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой в этанол при участии NADH2
При этом дрожжи получают энергию для развития биохимических процессов в клетке: глюкоза - этиловый спирт + СО2 + 166 кДж/моль.
С энергетической точки зрения брожение - процесс малоэффективный. Так, если при окислении 1 граммолекулы глюкозы до СО2 и Н2О в процессе аэробного дыхания синтезируется 36 мольАТФ, то в процессе спиртового брожения - всего 2 моль АТФ.
Дрожжи могут переключать один тип обмена веществ (аэробный) на другой (анаэробный).
Наряду с основными продуктами брожения - этиловым спиртом и СО2 - образуются побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, янтарная кислота, а также так называемые сивушные масла. В состав сивушных масел входят пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, амиловый (пентанол) и изоамиловый (триметилбутанол) спирты, представляющие собой продукты нормального бродильного метаболизма дрожжей и обнаруживающиеся при росте дрожжей на любых средах. Пути синтеза этих веществ еще до конца не изучены.
Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировинограднои кислоты образуется ацетальдегид; если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то появится новый продукт - глицерин, однако при этом снижается выход этилового спирта и СО2. Брожение в присутствии бисульфита стали использовать в промышленности при производстве глицерина. На условия спиртового брожения влияют многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, т.е. ее полноценность, концентрация и кислотность среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов.
Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, сбраживать моносахариды, а из дисахаридов - сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, так как они не образуют амилолитических ферментов. Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей составляет 10.15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30.35% сахара брожение обычно прекращается. Энергией брожения называется способность определенного количества дрожжей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количество сахара. В природе встречаются дрожжи, способные вызывать брожение сахара даже при концентрации его 50.60% и выше. Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли, но дрожжи могут использовать также аминокислоты и пептиды.
Брожение обычно протекает в кислой среде при рН 4.5 В щелочной среде в результате брожения образуется глицерин. Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30.°С; при температуре 45.50°С брожение прекращается в результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью оно не прекращается даже при температуре ниже О°С.
Этиловый спирт, образующийся в процессе брожения, неблагоприятно влияет на дрожжи. Накопление дрожжами спирта в концентрации 2.5 % в зависимости от вида и расы дрожжей действует на них уже угнетающе. В большинстве случаев брожение прекращается при накоплении дрожжами 12.14% (объемных) спирта. Выведены селекционерами расы дрожжей, устойчивые к накоплению 16.18 и даже 20 % спирта. [2 с.118]