Химизм брожения и типы брожения

Дыхание дрожжевых  грибков представляет особый интерес  и особенно важно для виноделия.

Дрожжевые грибки нуждаются в теплоте для своей  жизнедеятельности, и тепло это добывают тем, что сжигают углеводы (сахар и т. 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 углевод — сахар дрожжевые грибки превращают в спирт и углекислый газ.

Дрожжевых грибков, бактерий и других организмов 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 калорий тепла и продолжая, следовательно, процесс дыхания (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 сжигания сахара не будет доведен до конца.

Другие дрожжевые  грибки, бактерии и прочие низшие организмы, сжигая сахар, превращают его в молочную, масляную кислоты, но и тут не происходит сжигания до конца и оно продолжается, в свою очередь, другими новыми организмами. При этом некоторые из дрожжевых грибков именно той группы, которая продолжает работу спиртовых дрожжей, не могут жить без доступа воздуха, и для них необходим кислород. Как мы увидим, это — чрезвычайно важное обстоятельство очень полезное для винодела.

Таким образом, рассматривая брожение, т. е. жизнедеятельность  грибков, бактерий и др. низших организмов, как одну из стадий (частей) одного общего процесса дыхания (сгорания углеводов), в настоящее время ученые считают, что обратно — и дыхание человека состоит из целого ряда отдельных брожений, идущих вслед одно за другим.

Большое значение имеет сжигание сахара при работе дрожжевых грибков. Замечено, что  внутри каждого тельца дрожжевого грибка содержится жидкость, которая и названа дрожжевым соком. В этом соке содержатся особые вещества, прежде называвшиеся ферментами, а теперь называемые энзимами. Эти энзимы, действуя на сахар и другие углеводы, и производят то частичное сжигание их, о котором говорилось выше, выделяют тепло, необходимое для жизни дрожжей, и те вещества, которые нам желательны.

Таких энзимов  уже в настоящее время изучено  много видов, ибо у каждого  вида грибков, бактерий и других организмов имеется свой собственный энзим. Так, у дрожжевых грибков, вызывающих спиртовое брожение, в соке содержится энзим, названный алкоголязой, который, действуя на сахар, содержащийся в фруктовом соке, превращает его в спирт и углекислый газ. Это превращение сахара в спирт и называется спиртовым брожением.

Кроме спиртового брожения, в фруктовом соке может возникнуть и брожение иного характера. Так, если в сок попадут бактерии и грибки, превращающие сахар в уксусную кислоту, то и происходит брожение уксуснокислое. Это брожение важно при производстве уксуса.

Молочнокислое брожение, при котором образуется молочная кислота, необходимо при заквашивании кормов, капусты, для квасоварения и др. Масляно-кислое брожение, при котором образуется масляная кислота, вызывает прогорклость коровьего масла, и др.

Для виноделия  самым главным является брожение спиртовое. Все же прочие виды брожении при виноделии совершенно нежелательны, ибо вызывают болезни и порчу вина.

 

2. Химизм брожения

 

Как уже говорилось выше, одним из трех принципиально  возможных способов регенерации  АТФ является брожение. Брожение – это наиболее примитивный  способ получения энергии, присущее определенным группам бактерий и грибов.

«Брожение» - это  микробиологический термин. Он характеризует энергетическую сторону способа существования микроорганизмов, при котором углеводы в анаэробных условиях частично изменяются и становятся окисленными по сравнению с исходным субстратом. Следовательно, брожение – это процесс, в котором имеет место сопряженное окисление-восстановление сбраживаемого субстрата без участия кислорода, т.е. только за счет внутренних окислительно-восстановительных возможностей субстрата. При этом продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами. Продуктом окисления является углекислый газ, а продуктом восстановления – органические кислоты, спирты и др.

 

                   брожение

С₆Н₁₂О₆                            2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 31 200 кал

глюкоза      спиртовое             этиловый

                                                      спирт  

 

Примитивность процесса брожения заключается в  том, что из субстрата извлекается  лишь незначительная часть той химической энергии, которая в нем содержится. В результате образуется и запасается энергия в форме АТФ.

При брожении характер образовавшихся продуктов определяется природой конечных акцепторов электронов. Например, если конечным акцептором электронов является ацетальдегид, то образуется этиловый спирт; если пируват – молочная кислота. В результате получения электронов вещества восстанавливаются, и они выделяют из клеток микроорганизмов в окружающую среду, накапливаясь в значительных количествах. В зависимости от того, какой продукт накапливается в среде, различают несколько типов брожения. Каждый тип брожения вызывается особой группой  микроорганизмов и дает специфические конечные продукты. Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение – облигатные анаэробы, а некоторые – факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него. Все типы брожения  схематично могут быть рассмотрены как процессы, проходящие в две стадии. Первая стадия включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отнятие двух пар атомов водорода. Например,  превращение глюкозы в пировиноградную кислоту:

             С₆Н₁₂О₆→ 2СН₃-СО-СООН + 4Н

                               глюкоза        пировиноградная

                                                            кислота     

Это окислительная часть  брожения. Во второй стадии атомы водорода используются для восстановления пировиноградной  кислоты. При молочнокислом брожении последняя превращается в молочную кислоту:

 

                  2СН₃-СО-СООН + 4Н → 2СН₃-СНОН-СООН

     пировиноградная                        молочная кислота

            кислота    

 

При других бродильных процессах  вторая стадия протекает иначе и образуется другой продукт вместо молочной кислоты.

Брожение-это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТР, а продукты расщепления органического  субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Реакции, приводящие к фосфорилированию ADP, являются реакциями окисления. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя С0₂. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на NAD. Акцепторами водорода, находящегося в составе NADH₂, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NAD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

При сбраживании углеводов  и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие  продукты, как этанол, лактат, пропио-нат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутан-диол, ацетон, 2-пропанол, С0₂ и Н₂. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, масля-нокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение-это жизнь без воздуха» (Л. Пастер). Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение,-обли-гатные анаэробы, а некоторые-факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием.

Чаще всего в процессах  брожения микроорганизмы используют углеводы.

Образование молекул  АТФ при брожении происходит путем субстратного фосфорилирования.

Первый этап окисления углеводов в процессе брожения (рис. 1) включает гидролиз углеводов до простых сахаров и изомеризацию их до глюкозы.

Пути  расщепления гексоз

Последовательные ферментативные реакции от глюкозы до пировиноградной кислоты называют гликолизом. У микроорганизмов известны три различных пути, ведущие к образованию пировиноградной кислоты из глюкозы. Глюкоза сначала превращается в глюкозо- 6- фосфат.Последний превращается в пировиноградную кислоту тремя путями: фруктозо-1,6-дифосфатный путь, пентозофосфатный путь и путь Энтнера- Дудорова.

Фруктозо-1,6-дифосфатный  путь расщепления глюкозы (схема  Эмбдена-Мейергофа-Парнаса). В этом процессе глюкозо-6-фосфат превращается во фруктозо-6-фосфат под влиянием глюкозофосфатизомеразы, а далее во фруктозо-1,6-дифосфат под действием фосфофруктокиназы. Затем под действием фруктозодифосфатальдолазы из последнего образуется два трехуглеродных сахара. Все эти реакции характерны именно для этого пути гликолиза. Далее образуется 3-фосфоглицериновый альдегид, который через ряд этапов превращается в пировиноградную кислоту (пируват).  Данный путь окисления глюкозы хорошо изучен у бактерий Escherichia coli, Bacillus subtilis, Streptomyces griseus и грибов Candida utilis, Penicillium chrysogenum.

Пентозофосфатный (или гексозомонофосфатный) путь расщепления  глюкозы. Этот путь расщепления глюкозы встречается  у многих микроорганизмов. Глюкозо-6-фосфат превращается в 6-фосфоглюконолактон под влиянием глюкозо-6-фосфатдегид-рогеназы, а затем глюконолактоназой гидролизуется до 6-фосфоглюконовую кислоту. Последний дегидрируется дегидрогеназой до 3-кето-6-фосфоглюконовой кислоты, которая претерпевает окислительное декарбоксилирование и превращается в рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат  через ряд этапов превращается в пировиноградную кислоту. Характерным для этого пути является образование рибулозо-5-фосфата и других монофосфатов. Данный путь окисления глюкозы достаточно изучен у бактерий Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Gluconobacter oxydans и грибов Candida utilis, Penicillium chrysogenum.

2-Kето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный  путь расщепления глюкозы (путь  Энтнера-Дудорова). Этот путь найден как у анаэробных, так и аэробных бактерий. Глюкозо-6-фосфат сначала, как это было описано выше для пентозофосфатного пути, дегидрируется до 6-фосфоглюконата. Под действием фсофоглюконатдегидрогеназы от него отщепляется вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат. Кетодезоксифосфоглюконат расщепляется специфической альдолазой до пировиноградной кислоты и глицеральдегид-3-фосфат.

 Последний окисляется  до пировиноградной кислоты, так   же как и в фруктозо-фосфатном  пути. Этот путь окисления глюкозы   характерен для бактерий Pseudomonas aeruginosa, P.saccharophila и Alcaligenes eutrophus.

На  втором этапе глюкоза через ряд последовательных реакций окисляется в пировиноградную кислоту. Этот процесс называется гликолизом. Основными стадиями гликолиза являются присоединение фосфатных групп от молекулы АТФ и превращение во фруктозо-1,6-дифосфат. Далее фруктозо-1,6-дифосфат превращается в фосфоглицериновый альдегид, который через ряд последовательных реакций превращается в пировиноградную кислоту. При этом образуется свободная энергия, достаточная для образования 4 молекул АТФ. Но так как 2 АТФ затрачиваются на активацию глюкозы, то энергетическая ценность любого брожения – образование из одной молекулы глюкозы двух молекул АТФ (энергетическая ценность брожения). Следует отметить также, что при гликолизе восстанавливается дегидрогеназа (2 НАДН₂).

 

2 АТФ	¯    глюкоза                           ¯
	Фруктозо-1,6-дифосфат
4 АТФ	¯                2 ФГА (фосфоглицериновый альдегид)                      ¯                  2 ПВК (пировиноградная кислота)	2 НАДН2

 

Рис. 1 - Схема окисления углеводов в процессе брожения

 

Третий этап. Пировиноградная кислота при серии последовательных реакций претерпевает превращения, характер которых зависит от ферментативных особенностей того или иного возбудителя. Так, в клетках дрожжей имеются специфические ферменты – пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа, осуществляющие превращение ПВК в этиловый спирт.

 

ГЛАВА 2 ТИПЫ БРОЖЕНИЯ

 

 

2.1. Типы брожения

 

В процессе брожения в зависимости  от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают следующие типы брожения: молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое, уксуснокислое, метановое и др.

 

2.2. Спиртовое брожение

При спиртовом брожении микроорганизмы разлагают углеводы с образованием этилового спирта как основного продукта брожения:

 

                                             брожение

                          С₆Н₁₂О₆                             2С₂Н₅ОН + 2СО₂

                             глюкоза                                 этиловый 

                                                                               спирт

 

 

Спиртовое брожение, вызываемое дрожжами и бактериями

Этиловый спирт (этанол) - один из широко распространенных продуктов  сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и многие грибы в  анаэробных условиях накапливают этанол. Главные продуценты этанола - дрожжи, особенно штаммы Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи, как и большинство других грибов, осуществляют аэробное дыхание, но без доступа воздуха они сбраживают углеводы до этанола и СО2. У ряда анаэробных и факультативно-анаэробных бактерий этиловый спирт тоже является главным или побочным продуктом сбраживания гексоз или пентоз.