Спиртовое брожение

Спиртовое брожение вызывается дрож­жевыми грибками, относящимися к сумчатым грибам. Дрожжи сильно из­менили строение своего тела под влиянием своеобразного образа жизни в сахарных растворах. В природе дрожжи встречаются на поверхности пло­дов, в соке слизетечения деревьев на свежесрубленных пнях весной, а так­же и в почве, где они зимуют. Дрожжи не имеют мицелия, подобно другим грибам, и тело их состоит из округлой или удлиненной клетки. Размно­жаются дрожжи почкованием, а некоторые представители — и делением своего тела.

В сахаристых растворах дрожжи вызывают процесс спиртового бро­жения, при котором молекула сахара распадается на две молекулы этило­вого спирта и две молекулы углекислого газа.

C₆H₁₂O₆ (глюкоза) = 2CO₂ + 2C₂H₅OH (этиловый спирт) + 28 ккал.

Калорийность процесса спиртового брожения почти в 25 раз меньше калорийности дыхания. Последнее понятно, так как в результате брожения образуется спирт, обладающий большим запасом энергии. Всем известна способность крепкого спирта гореть. Малая калорийность процесса при­водит к менее экономному и менее полному расходованию вещества, чем это наблюдается в процессе дыхания. Поэтому брожения характеризуются огромным количеством перерабатываемого материала. Спиртовое брожение осуществляется лучше в анаэробных условиях, но размножение дрожжей происходит лишь при широком доступе кислорода. Поэтому на тех заводах, где необходимо получить в качестве продукта спирт (пивоваренное, вино­куренное производства), процесс ведется в анаэробных условиях. На дро­жжевых заводах, где основным продуктом являются дрожжи, они куль­тивируются при широком доступе кислорода.

Даже в условиях хорошей аэрации дрожжи всегда вызывают броже­ние, так как их энзиматический аппарат очень специализирован в этом на­правлении. Однако при широком доступе кислорода дрожжи, помимо энер­гии, выделяемой при брожении, образуют и некоторое (до 30%) количество энергии за счет дыхания. Последнее видно из соотношения между спир­том и углекислым газом в анаэробных и аэробных условиях.

Как видно из таблицы, при хорошей аэрации спирта образуется на 30% меньше, чем при плохой.

Образующийся спирт вреден для дрожжей, и когда его накапливает­ся много, процесс брожения прекращается. При высоких содержаниях са­хара в растворе дрожжи могут выносить в среде до 15% спирта. Общебио­логическое значение имеет наблюдение, что микроорганизмы, образующие те или иные продукты выделения, в известной мере приспособляются к ним. Если мы возьмем дрожжи и сразу же дадим им среду, содержащую 10% спир­та, то они развиваться в ней не будут. Если же они сами образовали эту концентрацию, то при наличии сахара в субстрате могут образовать допол­нительные количества спирта.

Спиртовое брожение вызывается энзимом зимазой, которая может быть извлечена из дрожжей, и брожение может быть воспроизведено вне организма in vitro (т. е. в буквальном переводе — в стекле). Зимаза представляет сложный комплекс ряда энзимов.

Спиртовое брожение играет огромную народнохозяйственную роль. На нем основаны следующие производства: 1) винокуренное; 2) пивоварен­ное; 3) дрожжевое; 4) винодельческое.

Современное производство строится с учетом биологии дрожжевых грибков, на основе микробиологической техники. Широко применяются ме­тоды стерилизации и бактериологический контроль. Если в заторы попа­дут в большом числе бактерии, то они могут испортить получаемый ценный продукт. Кроме того, в пивоваренном производстве используются чистые культуры дрожжей, так как случайные культуры не дадут нужного ка­чества, а если в заторы попадут дикие расы дрожжей, то пиво пор­тится.

Заторами в технической микробиологии называются среды (субстраты), подготовленные для сбраживания.

При брожении, так же как и при дыхании, молекула сахара, взаимо­действуя с фосфорной кислотой, подвергается процессу фосфорилирования. При этом образуется эфироподобное соединение, названное гексозодифосфатом. В таком виде сахар уже может подвергаться дальнейшему распаду. Прежде всего гексозодифосфат распадается на две фосфотриозы, которые уже и подвергаются дальнейшим превращениям.

C₆H₁₂O₆(H₂PO₃)₂ (гексозодифосфат) → 2CHOCHOHCH₂O(H₂PO₃).

Из промежуточных продуктов распада сахара при спиртовом брожении най­дены пировиноградная кислота (CH₃COCOOH) и уксусный альдегид (CH₃CHO).

Пировиноградная кислота под влиянием фермента карбоксилазы рас­падается на углекислый газ и уксусный альдегид.

CH₃COCOOH → CO₂ + CO₃CHO.

За счет распада пировиноградной кислоты и образуется углекислый газ при брожении. Образовавшийся альдегид может уже легко образовать спирт за счет взаимодействия двух молекул альдегида с водой. С. П. Костычев впервые показал, что эта реакция может осуществляться дрожжевыми гриб­ками: Материал с сайта http://worldof.school

Как видно из приведенной формулы, эта реакция является одновремен­но и восстановительной, и окислительной. Одна молекула уксусного альде­гида восстанавливается водородом воды до этилового спирта, а другая окис­ляется до уксусной кислоты. В спиртовом брожении взаимодействуют ук­сусный альдегид и фосфоглицериновый альдегид.

Зная промежуточные ступени спиртового брожения, удается управлять этим процессом, т. е. направлять брожение в ту или иную сторону и полу­чать те или иные продукты. Так, если связать образующийся уксусный аль­дегид сульфитом натрия (Na₂SO₃), то вместо спирта будет накапливаться глицерин, который раньше получался только путем расщепления жиров. Оказывается, глицерин можно получить и из картофеля, осахаривая крах­мал кислотой и подвергая спиртовому брожению.

На этой странице материал по темам:

• Спиртовое брожение кратко