Морфология бактерий. Спиртовое брожение

2. Спиртовое брожение

Спиртовое брожение -- это процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

С₆Н₁₂О₆ -» 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН

Этиловый спирт -- один из широко распространенных продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

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 пировинограднои кислоты. Превращение пировинограднои 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 грамм молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О в процессе аэробного дыхания синтезируется 36 моль АТФ, 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, 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.

Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

Для получения этилового спирта используют разное сырье трех основных групп: содержащее сахар (сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал (картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овес, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу (древесина и сульфитные щелока). Сырье используют в зависимости от хозяйственных возможностей; оно должно быть дешевым и в достаточном количестве.

Крахмалсодержащее сырье разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен ячменя, или ферментный препарат из грибов рода Aspergillus.

В солоде кроме амилаз содержатся и протеолитические ферменты, которые вызывают частичное превращение белковых веществ в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается сусло, богатое как сахаристыми веществами, так и другими питательными веществами для дрожжей. Вносят и дополнительные источники питания. Это делается всегда по рецепту сред для каждого данного производства.

В полученное сусло вносят дрожжи, чаще всего применяют расы Saccharomyces cerevisiae, которые быстро размножаются, спиртоустойчивы, обладают высокой энергией брожения. Есть и другие промышленно важные расы дрожжей.

По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах.

Получается спирт-сырец и остается отход производства -- барда, которую используют для получения кормовых дрожжей. Отработанные дрожжи тоже используются в виде жидких и сухих кормовых дрожжей.

Спирт-сырец используют как для технических целей, так и для дальнейшей очистки -- ректификации. Микроорганизмы в спирт-сырец могут попадать из воздуха, сырья, аппаратуры. Ими могут быть молочнокислые бактерии и дикие дрожжи, которые способны развиваться в анаэробных условиях в присутствии спирта. Они используют питательные вещества среды, угнетают дрожжи продуктами своего обмена, при этом снижается выход спирта.

Спирт применяют в медицине, производстве различных спиртовых напитков. В последние десятилетия спирт рассматривают как перспективное топливо. Производство спирта на топливо налажено в США, Японии, Германии, во Франции, в Швеции, Австралии и других странах. В некоторых странах (США, Бразилия) мощность заводов составляет ~ 200 тыс. л в сутки. Спирт является сырьем для химической промышленности. С уменьшением запасов нефти (полагают многие ученые) на смену нефтехимии придет алкохимия (химия биоэтанола).

Основным сырьем для получения пива является ячменный солод, который получают из пророщенных зерен ячменя (соложение). Амилазы солода расщепляют содержащийся в нем крахмал на более простые углеводы -- мальтозу и декстрин, а протеазы частично превращают содержащийся белок в азотистые соединения, усваиваемые дрожжами.

К солоду добавляют несоложеные ячмень, рис, кукурузную муку, воду, хмель и получают пивное сусло. Пивное сусло является полноценной питательной средой для дрожжей. Вещества хмеля обладают антибактериальным действием и придают пиву специфические горечь и аромат.

Для получения большинства сортов пива используют преимущественно дрожжи низового брожения (расы Saccharomyces carlsbergensis), для некоторых сортов пива -- дрожжи верхового брожения (Saccharomyces cerevisiae). Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает медленно и спокойно, ведут его при сравнительно низких температурах -- от 5 до 10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных емкостей.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28 °С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены. Под действием выделяющегося СО₂ дрожжи выносятся в верхние слои субстрата.

По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных емкостей рыхлым слоем. Процесс получения пива идет в два этапа, т. е. осуществляется два периода брожения -- главное и дображивание.

В процессе главного брожения при температуре от 6 до 10 °С дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар. Получают так называемое зеленое (незрелое) пиво. Его сливают с дрожжевого осадка и направляют на дображивание при температуре около 1 °С. Дрожжи, оставшиеся в зеленом пиве, почти не размножаются и медленно сбраживают оставшийся сахар. Накапливаются диоксид углерода, 3-6 % (по массе) этилового спирта, побочные продукты брожения: высшие спирты, органические кислоты, диацетил, эфиры. Все они принимают участие в формировании вкуса и аромата пива.

Созревшее пиво осветляют и направляют на розлив, а дрожжи удаляют путем фильтрования или центрифугирования. Химический состав и вкусовые свойства разных сортов пива зависят от используемого сырья, использованной расы дрожжей и технологии производства.

Часть дрожжей, осевших на дно бродильных емкостей, вновь используют для получения пива, часть выпускают в виде жидких или сухих пивных дрожжей в качестве продукта, богатого витаминами В1, В2, В6, РР, пантотеновой кислотой, а часть идет на корм животным.

Пиво -- скоропортящийся продукт. Для увеличения срока хранения пива его пастеризуют, иногда добавляют химические консерванты (сорбиновую кислоту, юглон), обрабатывают СВЧ.

Для получения вина исходным сырьем служат виноградный сок, а также плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для различных микроорганизмов. Для избавления от вредной микрофлоры и от диких дрожжей соки сульфитируют (обрабатывают сернистым ангидридом SO₂), а затем подвергают брожению. Сернистый ангидрид играет роль как антисептика, так и антиокислителя. Он связывает кислород, при этом снижается окислительно-восстановительный потенциал среды, что препятствует развитию аэробной микрофлоры и благоприятствует брожению.

Брожение соков для изготовления вин осуществляют с применением чистых культур винных дрожжей низового брожения Sacch. (ellipsoideus), а для вин хересного типа еще и Sacch. oviformis. Для получения определенных вин выбирают производственные расы дрожжей, отвечающие следующим требованиям: они должны полностью выбраживать сусло, быть устойчивыми к повышенному содержанию сахара и спирта, к SO₂, к низкому рН быстро оседать после брожения и давать плотный осадок. Разные расы Sacch. vini, селекционированные для определенны) типов вин, обладают различным температурным оптимумом брожения, образуют разное количество спирта (10-18%), разные побочные продукты, что отражается на вкусовых и ароматически) свойствах вин.

Для предохранения вин от микробной порчи их пастеризуют, вводят антисептики (SO₂, сорбиновую кислоту), обрабатывают ультразвуком, ультрафиолетом.

На всех бродильных производствах качество и выход готовое продукции в значительной степени зависят от общего санитарного состояния производства. На всех предприятиях должен поддерживаться строгий санитарный режим, а также проводиться постоянный микробиологический контроль на всех стадия) производственного процесса, включая помещения, тару и т.п.

Пекарские дрожжи (расы Sacch. cerevisiae) прессованные и сухие для производства хлебобулочных изделий получают на специализированных дрожжевых заводах. При получении пекарских дрожжей в качестве питательной среды используют очищенную и разбавленную водой свекловичную мелассу -- отход свеклосахарного производства. К свекловичной мелассе, содержащей все необходимое для дрожжей, дополнительно добавляют азот и фосфорсодержащие соли. Дрожжи размножаются при температуре около 30 °С, рН 4,5 - 5,5, при непрерывной аэрации. Дрожжи дышат и активно размножаются, а не бродят. Большая часть сахара используется ими для синтеза веществ клетки.

Выросшую массу дрожжей отделяют от среды, промывают водой, сгущают и прессуют до содержания влаги 73-75 %. Полученную дрожжевую массу формуют в виде брикетов с содержанием дрожжевых клеток от 8 до 12 млрд в 1 г. Брикеты упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4°С. Сухие дрожжи выпускают влажностью 8-10 %.

Используемые расы пекарских дрожжей должны хорошо размножаться, обладать высокой бродильной активностью, быть стойким при хранении в прессованном виде и при высушивании. В настоящее время используют следующие расы пекарских дрожжей: Киевская 21, Одесская 14, гибриды № 176 и 196-6. Сохранять прессованные дрожжи следует на холоде.

бактерия клетка спиртовой брожение