Спиртовое брожение. Химизм процесса. Возбудители, их морфологические, физиологические особенности. Значение в народном хозяйстве. Творческий вклад ученых в раскрытие химизма процесса - Химический состав клетки и потребность микробов в воде

Брожение - 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 других компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожение:

- спиртовое брожение; - молочнокислое брожение; - пропионово-кислое брожение; - масляно-кислое брожение; - уксуснокислое брожение; - ацетонобутиловое брожение; - ацетоноэтиловое.

Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых оно протекает (pH, аэрация, субстрат и другие).

Брожение спиртовое (брожение алкогольное)- биохимический процесс расщепления сахаров, происходящий в результате жизнедеятельности микроорганизмов или под влиянием выделенных ими ферментов.

Приготовление спиртных напитков, основанных на брожении спиртовом, было известно людям в глубокой древности. Однако суть процесса превращения сахаров в спирт выяснена только в середине 19 века. Химическое уравнение брожения спиртового дано французскими химиками А. Лавуазье (1789) и Ж. Гей-Люссаком (1815). Разноречивые мнения о сущности брожения привели к длительному научному спору между Л. Пастером и Ю. Либихом. Согласно химической теории Ю. Либиха молекулярные колебания белковых веществ передаются сахару, расшатывают его молекулу, превращая ее в молекулы спирта и диоксида углерода. Убедительные опыты Пастера в 1857 с использованием микроскопических организмов -- дрожжей отвергли несостоятельную теорию Либиха. Пастером была защищена биологическая теория, определяющая брожение как результат анаэробного обмена веществ дрожжей. Работами С. П. Костычева и В. И. Палладина доказано, что анаэробный распад молекулы сахара является начальным этапом кислородного дыхания. В 1871 русский врач-биохимик М. М. Манассеина первая указала на возможность бесклеточного брожения спиртового, а в 1897 братьями Э. и Т. Бухнер была раскрыта ферментативная сущность реакций процесса благодаря использованию простого метода получения бесклеточного дрожжевого сока, разработанного русским биохимиком А. Н. Лебедевым. Процесс брожения спиртового исследовался многими выдающимися отечественными и зарубежными биохимиками и физиологами: Л. А. Ивановым, А. Гарденом, К. Нейбергом, Г. Эмбденом, О. Мейергофом, Я. Парнасом и др. Первый значительный шаг в изучении химизма брожения спиртового был сделан Ивановым и Лебедевым, доказавшими участие фосфатов в брожении сахарных растворов. Большое значение имело открытие Иванова, доказавшего, что анаэробному распаду при брожении подвергается не свободная молекула гексозы, а предварительно образующийся ее фосфорный эфир. Последующее изучение механизма спиртового брожения показало, что первым этапом химических реакций является гликолиз, объединяющий реакции, протекающие в живых клетках до образования пировиноградной кислоты. Эти реакции осуществляются с тем же запасом энергии и тем же ферментативным путем как в анаэробных (спиртовое брожение), так и в аэробных условиях (дыхание).

Спиртовым брожением называется процесс превращения микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:

Спиртовой брожение клетка яйцо

Химизм спиртового брожения.

Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных условиях.

Любое брожение протекает как бы в две стадии: первая - окислительная - включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образование двух молекул восстановленного НАД - промежуточного акцептора водорода:

А во второй стадии - восстановительной - передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

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

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

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

Наряду с главными продуктами брожения в большом количестве образуются побочные продукты: глицерин(1-3%), уксусный альдегид, сивушные масла - смесь высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения.

Общие условия спиртового брожения.

На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ее концентрация и кислотность, температура и другие. Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов - сахарозу и мальтозу. Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30-35% брожение обычно почти прекращается. 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 не прекращается.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые 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.

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 еще Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.

По характеру брожения дрожжи делят на верховые и низовые. Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется пена, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно рыхлым слоем. Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно при сравнительно низких температурах - 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены меньше, дрожжи не выносятся на поверхность и быстро оседают на дно. Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

К расам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, к расам верхового - спиртовые и хлебопекарные.

Дрожжи широко распространены в природе. Встречаются на фруктах, ягодах, винограде, в почве и воздухе, особенно в летнее время. Принято различать культурные и дикие дрожжи. Применение чистых культур специально селекционированных микроорганизмов - важный этап борьбы за качество и чистоту процесса брожения. Чистые культуры дрожжей размножают в производственных лабораториях на оптимальных для их роста средах, пересевая во все возрастающие емкости. В стадии высокой физиологической активности культуры передают в цех, где продолжают выращивать в дрожжерастительных аппаратах на обогащенных производственных субстратах и затем используют в технологическом процессе. В цехах создают условия, необходимые для жизнедеятельности дрожжей в заданном направлении и позволяющие подавить рост микроорганизмов Дикие дрожжи имеют более слабую бродильную способность и образуют вещества, придающие неприятные привкус и запах. Попадая в пищевые продукты, они могут наносить значительный урон ряду отраслей пищевой промышленности. Так, при производстве сахара дрожжи вызывают разложение сахарозы, ослизнение соков и сиропов, образуют органические кислоты, ухудшают процесс фильтрации, снижают качество полупродуктов и готовой продукции. Дрожжи, развивающиеся в рассолах при квашении различных овощей и фруктов, образуют при доступе воздуха пленку на поверхности или размножаются в глубинных слоях.

В целом структура дрожжевой клетки мало отличается от структуры клеток растения. Как и любой организм подгруппы эукариотов, дрожжевая клетка включает клеточную оболочку, цитоплазму и ядро.

Клеточная стенка дрожжей относительно толстая и жесткая. В ее состав входят полисахариды -- маннан и глюкан в примерно равном соотношении. Кроме того, клеточная стенка содержит белки. На внутренней стороне стенки клетки локализованы ферменты: инвертаза, фосфатаза, пептидаза и другие гидролазы. Оболочка дрожжевой клетки играет роль защитного покрытия, так как она устойчива против механического воздействия. Она придает клетке специфическую форму. Подсчитано, что поверхность клеток, содержащихся в 1 л бродящего сусла, равна 10 м2, хотя по внешнему виду клеточная оболочка выглядит гладкой, фактически она представляет собой тонкую решетку, активная поверхность которой составляет еще большую площадь. Этим объясняется быстрота обмена веществ у дрожжей. В то же время оболочка имеет относительно мелкие поры. Коллоиды с молекулярной массой более 4500 через них не проходят. В результате этого дрожжи не могут использовать белки среды непосредственно. Клеточную оболочку следует рассматривать как некий фильтр, пропускающий только макромолекулы. Роль ферментов стенки заключается в том, чтобы обеспечивать проникновение гидролизуемых веществ. Цитоплазматическая мембрана сама состоит из трех исключительно тонких слоев, образованных липидами, белками, полисахаридами. Роль мембраны сводится к контролю движения веществ, содержащихся во внешней среде, внутрь клетки и обратно. С одной стороны, мембрана пропускает питательные вещества к местам их ассимиляции: ноны, сахара, аминокислоты, витамины и другие, с другой -- она контролирует выделение в среду продуктов метаболизма, таких, как этанол и другие вещества. Этот непрерывный обмен между дрожжами и средой происходит посредством систем транспортеров. Они придают цитоплазматической мембране свойства высокоселективного фильтра.

В зависимости от условий возможны два вида размножения спорогенных дрожжей: вегетативное -- бесполое и половое с образованием спор. При размножении почкованием ядро клетки перемещается к периферии, вытягивается; часть его проникает в почку, которая появляется на поверхности клетки. Когда почка достигает достаточных размеров, она отделяется от материнской клетки; образованная таким путем новая клетка в свою очередь будет почковаться. Дочерняя клетка может также оставаться связанной с клеткой-матерью, в результате чего образуются колонии, длинные цепи или скопления дрожжей. Почкование называют полярным, если новая клетка появляется на одном из концов материнской клетки; биполярным, когда почки развиваются на обоих концах, и мультиполярным, если почки появляются в любом месте. В случае размножения делением, которое напоминает деление бактерий, клетка удлиняется, ядро вытягивается, делится пополам, после чего появляется перегородка, разделяющая материнскую клетку. Обе дочерние клетки отделяются повторным делением по этой перегородке, не изменяя общей формы дрожжей. При неблагоприятных условиях развития дрожжей, например, когда исчерпан весь сахар из питательной среды, спорообразующие дрожжи перестают почковаться, оболочка утолщается и клетки превращаются в аски, содержащие одну или несколько аскоспор.

Спиртовое брожение лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при производстве кваса, кефира, кумыса. Основными потребителями этилового спирта являются пищевая и химическая промышленность, а также медицина.

Похожие статьи