Сущность процесса брожения

В основе процессов распада безазотистых органических веществ лежат различные формы брожения, которые постоянно происходят в природе. Брожение – анаэробное дыхание, при котором микроорганизмы используют выделяющуюся энергию для своей жизнедеятельности.

Впервые биологическую природу брожения открыл в 60-х годах 19 в. гениальный французский ученый Луи Пастер. Пастеру удалось на примере молочнокислого, спиртового и маслянокислого брожения доказать, что эти процессы вызываются жизнедеятельностью микроорганизмов.

Спиртовое брожение углеводов вызывают дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), некоторые виды бактерий (Sarcina ventriculi) и отдельные представители мукоровых грибов рода Mucor. При спиртовом брожении молекула гексозы распадается на этанол и углекислый газ. В ходе брожения образуется много промежуточных продуктов — гексозомонофосфат, фруктозодифосфат, фосфотриозы, фосфоглицериновая кислота, фосфопировиноградная кислота, пировиноградная кислота, уксусный альдегид и, наконец, этиловый спирт.

При содержании в сбраживаемом растворе более чем 30% сахара часть его остается неиспользованной, так как при этих условиях образуется до 15% спирта, а при такой концентрации спирт подавляет жизнедеятельность дрожжей. Поэтому натуральные вина содержат не более 15% спирта. Главное преимущество чистых культур дрожжей заключается в том, что брожение виноградного сока протекает и заканчивается быстро, а отсутствие посторонней микрофлоры позволяет получать вина хорошего вкуса и аромата (с хорошим «букетом»). По окончании брожения молодое вино стабилизируют и дают ему созреть. Эти процессы занимают несколько месяцев, а при изготовлении высококачественных красных вин — даже несколько лет. В течение первого года во многих красных винах происходит второе, спонтанное брожение — яблочно-молочнокислое, которое вызывается рядом молочнокислых бактерий (Prdiococcus, Leuconostoc). В результате этого яблочная кислота винограда превращается в молочную кислоту и СО2, т. е. дикарбоновая кислота превращается в монокарбоновую, и кислотность вина уменьшается, оно становится высококачественным.

Уксуснокислое брожение — биологический окислительный процесс, при котором с помощью уксуснокислых бактерий спирт окисляется в уксусную кислоту. Если какую-либо жидкость, содержащую небольшое количество спирта (вино, пиво), оставить открытой, то в ней постепенно появляется уксусная кислота и кожистая пленка (уксусная матка) на поверхности. Уксуснокислые бактерии объединены в род Acetobacter, содержащий ряд видов и подвидов. Этиловый спирт под влиянием уксуснокислых бактерий подвергается окислению, в результате которого вначале образуется уксусный альдегид, а затем — уксусная кислота. При использовании специальных рас уксуснокислых бактерий максимальный выход уксуса достигает 14,5%. Уксуснокислые бактерии превращают ряд многоатомных спиртов в сахар. Одна из таких реакций используется для получения сорбозы из сорбитола. Сорбоза — промежуточный продукт синтеза аскорбиновой кислоты. Она применяется в качестве суспендирующего агента при изготовлении многих лекарственных препаратов. Уксуснокислые бактерии могут наносить вред в виноделии и пивоваренной промышленности, вызывая прокисание вина и пива.

Молочнокислое брожение — широко распространенное биохимическое явление, давно известное на примере скисания молока. Под влиянием молочнокислых бактерий (семейство Lactobacillaceae) лактоза расщепляется на составляющие ее гексозы — глюкозу и галактозу, которые затем специфическими ферментами превращаются в молочную кислоту. Свертывание молока происходит вследствие того, что молочная кислота отщепляет кальций от казеина, белок превращается в параказеин и выпадает в осадок. Молочнокислые бактерии широко распространены в природе. Они обнаруживаются в молоке, воздухе, на коже, шерсти, в тонком и толстом кишечнике и представлены большим количеством видов палочковидных и кокковидных бактерий, различающихся не только по морфологии, но и физиологическим свойствам (по использованию различных источников углерода и азота).

Маслянокислое брожение также широко встречается в природе. Возбудитель маслянокислого брожения был открыт Л. Пастером. На примере маслянокислого брожения Л. Пастер разработал учение об анаэробах. Типичный представитель бактерий маслянокислого брожения — азотфиксирующий Clostridium pasteurianum. Маслянокислые бактерии в больших количествах встречаются в почве, навозе, на растениях, в молоке, сыре. Многие из них являются анаэробами и относятся к роду Clostridium.

Маслянокислое брожение — сложный биохимический процесс расщепления углеводов, в ряде случаев жиров и белков, на масляную кислоту, углекислоту и воду, при этом образуется много побочных продуктов — уксусная, молочная, пропионовая и другие кислоты.

Из числа других форм брожения чрезвычайно важным является брожение целлюлозы (клетчатки), в которой заложены огромные запасы углерода. Разложение целлюлозы, которая в количественном отношении представляет один из основных компонентов растительных тканей, осуществляется главным образом высоко специализированными в отношении питания аэробными и анаэробными микроорганизмами. Среди аэробных бактерий, расщепляющих целлюлозу, наиболее важны скользящие бактерии рода Cytjphaga. Целлюлоза — единственное вещество, которое они могут использовать в качестве источника углерода. Цитофаги быстро растворяют и окисляют целлюлозу.

 Брожение — процесс анаэробного распада углеводов на более простые соединения с выделением энергии, совершающийся при участии некоторых микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Одним из примеров брожения является спиртовое брожение, вызываемое дрожжами и заключающееся в разложении Сахаров на спирт и углекислый газ. Известны также молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое брожение и др. Способность микроорганизмов вызывать брожение с накоплением специфических для них продуктов используют в промышленности для массового получения этих веществ (например спиртовое брожение — для получения спирта; молочнокислое — при производстве кефира и т. п.). На свойстве некоторых патогенных микроорганизмов сбраживать те или иные углеводы основаны методы выращивания бактериальных культур и идентификации возбудителей.

Брожение — процесс распада органических веществ (преимущественно углеводов) под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Как и дыхание, брожение включает окислительно-восстановительные превращения субстрата, связанные с выделением энергии. Но, в отличие от дыхания, брожение не приводит к образованию воды и углекислого газа, а заканчивается накоплением недоокисленных продуктов (спирт, молочная кислота, масляная кислота и др.). Под брожением обычно понимают анаэробный процесс, однако к этой же группе превращений несколько условно относят также уксуснокислое и лимоннокислое «брожения», хотя и приводящие к накоплению органических кислот, но совершающиеся обязательно в присутствии кислорода.
Брожение известно было в глубокой древности» им пользовались для приготовления вина и уксуса. Однако лишь во второй половине 19 века было установлено, что спиртовое брожение связано с жизнедеятельностью дрожжей (см.) и является процессом, обеспечивающим организм энергией в отсутствие кислорода. Понимание биохимической сущности этого явления стало возможным после выделения из дрожжевой клетки ферментных систем. В 1897 г. Бухнер (Е. Buchner) растирал дрожжи с кварцевым песком и трепелом и после фильтрования под давлением получил бесклеточный сок, способный вызывать спиртовое брожение. Бухнер полагал, что сок содержит фермент зимазу. Впоследствии А. Н. Лебедевым был предложен новый, более простой метод приготовления бесклеточного дрожжевого сока. «Сок Лебедева», или «мацерационный сок», получают подсушиванием дрожжей в термостате при t° 25—30°, последующей обработкой их водой в течение 2 часов при t° 35° и фильтрованием.
Зимаза представляет собой сложный комплекс ферментов, катализирующих последовательные превращения сбраживаемого субстрата. Спиртовое брожение выражается суммарным уравнением реакции:
C₆H₁₂O₆→2CO₂+2C₂H₅OH
Оно проходит через ряд этапов, включающих обязательное участие фосфорной кислоты, образование фосфорных эфиров углеводов и их превращения, в результате которых осуществляется процесс окисления, т. е. отнятия водорода от органического субстрата. Освобождающаяся при этом энергия частично утилизируется в виде богатых энергией связей аденозинтрифосфорной кислоты, которая может быть легко использована клеткой. В этом биологический смысл брожения как процесса, обеспечивающего «жизнь без воздуха».
С учетом энергетической эффективности спиртового брожения суммарное уравнение реакции принимает вид:
C₆H₁₂O₆+2H₃PO₄+2АДФ→2CO₂+2C₂H₅OH+2АТФ
где АДФ — аденозиндифосфорная кислота и АТФ — аденозинтрифосфорная кислота.
Отличие между разными типами брожения заключается в субстрате сбраживания, а также в том, на какой из промежуточных продуктов происходит перенос водорода при окислении. Если при спиртовом брожении образование спирта является результатом переноса водорода на ацетальдегид, то при молочнокислом брожении восстановлению подвергается пировиноградная кислота, при маслянокислом брожении в результате нехватки акцепторов водорода часть его выделяется в молекулярной форме:
C₆H₁₂O₆→C₄H₈O₂+2CO₂+2H₂
Три упомянутых вида брожения являются основными. Все другие типы представляют собой их комбинацию. При уксуснокислом «брожении», происходящем по уравнению С₂Н₅OH+O₂→С₂Н₄O₂+H₂O, ацетат, накапливающийся в значительных количествах, не является конечным продуктом; по исчерпании запасов спирта он далее окисляется уксуснокислыми бактериями до CO₂ и H₂O. При лимоннокислом «брожении» образование лимонной кислоты из сахара тесно связано с процессом дыхания. В настоящее время показано, что накопление лимонной кислоты плесневыми грибами — лишь одно из звеньев сложной цепи окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, называемых лимоннокислым циклом (см. Окисление биологическое).
Образование лимонной кислоты происходит лишь до тех пор, пока запас субстрата не исчерпан. При полном использовании сахара накопившаяся лимонная кислота подвергается более глубокому окислению. Значительное накопление лимонной кислоты в культурах плесневых грибов дает возможность использовать их в технике для получения лимонной кислоты из сахара. Практическое применение находят и другие виды брожения.
Спиртовое брожение используется для промышленного получения спирта. В качестве сырья употребляют продукты, содержащие крахмал, — картофель, кукурузу, злаки, а также отходы сахарного производства и деревообрабатывающей промышленности. Для осахаривания крахмал предварительно обрабатывают амилазой солода. Брожение ведут на чистых культурах дрожжей, отличающихся устойчивостью к повышенному содержанию спирта. Различные расы дрожжей применяют для производства пива b виноградного вина. В хлебопечении используют прессованные дрожжи — смесь нескольких рас дрожжей. Образующиеся при брожении спирт и CO₂разрыхляют тесто и способствуют его подъему, а побочные продукты Б. придают хлебу своеобразный вкус и аромат. Важное техническое значение имеет также получение глицерина путем видоизмененного спиртового Б. Спиртовое брожение может быть использовано также при клинических анализах. При исследовании биологических жидкостей на содержание сахара (глюкозы и фруктозы) применяют так называемую бродильную пробу, заключающуюся в том, что при добавлении дрожжей сахар подвергается сбраживанию с выделением CO₂ (обнаруживается по поглощению щелочью) и этилового спирта, о наличии которого узнают по образованию йодоформа при реакции с йодом в щелочной среде.
Молочнокислое Б. вызывается микроорганизмами, широко распространенными в природе. Они содержатся во многих фруктах и овощах, ржаной муке, солоде, силосе и др. Но основной средой для их развития является молоко, где под влиянием образуемой ими молочной кислоты наступает свертывание казеина. Для предохранения от скисания молоко подвергают пастеризации, при которой возбудители молочнокислого брожения погибают. Наиболее широко молочнокислое Б. применяют при производстве простокваши, кефира, ацидофилина и т. п. Молочнокислые бактерии, способные обитать в кишечнике, подавляют его гнилостную микрофлору.
Маслянокислое Б. возбуждается группой анаэробных бактерий, встречающихся в почве, воздухе, загрязненной воде, скоплениях разлагающихся растительных остатков. Маслянокислые бактерии образуют устойчивые споры, выдерживающие кипячение в течение нескольких минут. Они чувствительны к кислоте и поэтому их деятельность проявляется там, где молочнокислое брожение исключено (пастеризованное молоко) или сильно подавлено (сырое молоко при длительном хранении на холоду). Характерные признаки маслянокислого Б.— выделение газов, острый запах масляной кислоты, приобретение продуктом неприятного вкуса. В баночных консервах и сырах при этом наблюдается вспучивание. Это же Б. может развиваться в сырой муке, придавая ей горький вкус.

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.

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 двуокиси углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Фосфолирирование субстратное, есть гликолиз, превращение одного субстрата в другой с выделением энергии, затем пируват.

Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных превращений различных веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

Типы процессов биологического окисления:

1) аэробное (митохондриальное) окисление предназначено для извлечения энергии питательных веществ с участием кислорода и накоплении её в виде АТФ. Аэробное окисление называется также тканевым дыханием, поскольку при его протекании ткани активно потребляют кислород.

2) анаэробное окисление – это вспомогательный способ извлечения энергии веществ без участия кислорода. Анаэробное окисление имеет большое значение при недостатке кислорода, а также при выполнении интенсивной мышечной работы.

3) микросомальное окисление предназначено для обезвреживания лекарств и ядов, а также для синтеза различных веществ: адреналина, норадреналина, меланина в коже, коллагена, жирных кислот, желчных кислот, стероидных гормонов.

4) свободнорадикальное окисление необходимо для регуляции обновления и проницаемости клеточных мембран.

Основным путём биологического окисления является митохондриальное, связанное с обеспечением организма энергией в доступной для использования форме. Источниками энергии для человека являются разнообразные органические соединения: углеводы, жиры, белки. В результате окисления питательные вещества распадаются до конечных продуктов, в основном - до СО₂и Н₂О (при распаде белков также образуетсяNH₃). Выделяемая при этом энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений, преимущественно – АТФ.