2.2.3. Процессы брожения

По своей биологической сути брожение – это анаэробный окислительно-восстановительный процесс, в котором АТФ синтезируется путем субстратного фосфорилирования при использовании в качестве источника энергии органических соединений. При брожении продукты расщепления одного органического субстрата могут одновременно служить и донорами, и акцепторами электронов. Сбраживаться микроорганизмами могут углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины и другие органические соединения.

При сбраживании органических соединений образуются различные органические кислоты (молочная, масляная, муравьиная, пропионовая, уксусная, янтарная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, СО₂, Н₂ и др. Обычно в процессе брожения образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, муравьинокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое, пропионовокислое и другие типы брожения.

Брожение имеет большое значение для процессов круговорота биогенных элементов, прежде всего, углерода и водорода. Оно осуществляется везде, где происходит анаэробное разложение органического материала: в почве, морских и пресноводных донных осадках, в активном иле, а также пищеварительном тракте и других анаэробных участках организмов животных и человека.

Брожение является одним из самых древних и примитивных способов запасания энергии, который, как считают ученые, возник на нашей планете еще в те времена, когда на ней отсутствовал молекулярный кислород.

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение характерно в основном для дрожжей, особенно для видов рода Saccharomyces (S. cerevisiaе, S. uvarum и др.) и поэтому большая часть этилового спирта, получаемая промышленным путем, синтезируется в результате анаэробного сбраживания глюкозы и других гексоз этими микроорганизмами.

При спиртовом брожении у дрожжей процесс катаболизма глюкозы происходит по гликолитическому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Далее осуществляется ее декарбоксилирование пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата, в результате чего образуются ацетальдегид и СО₂. Образовавшийся ацетальдегид выступает конечным акцептором водорода. Он при помощи алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этанола (рис. 21).

Суммарная реакция процесса спиртового брожения выражается следующим уравнением:

C ₆ H₁₂O₆ + 2 Ф_н + 2 АДФ 2CH₃CH₂OH + 2CO₂ + 2АТФ + 2H₂O

ГЛЮКОЗА

гликолиз 2АТФ + 2ПИРУВАТ + 2НАДН пируватдекарбоксилаза 2 СО2 2 АЦЕТАЛЬДЕГИД алкогольдегидрогеназа 2 ЭТАНОЛ Рис. 21. Схема спиртового брожения у дрожжей

Энергетический выход спиртового брожения у дрожжей составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу катаболизированной глюкозы, что значительно меньше выхода АТФ при аэробном метаболизме. Было установлено, что при смене аэробных условий на анаэробные скорость расщепления глюкозы возрастает в 3 – 4 раза. Переход же от анаэробного метаболизма к аэробному сопровождается снижением скорости катаболизма глюкозы, и образование спирта прекращается, т. е. процесс спиртового брожения ингибируется. Это явление получило название «эффекта Пастера». «Эффект Пастера» – результат взаимодействия между различными энергетическими путями у дрожжей. В присутствии кислорода процессы окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи и субстратного фосфорилирования на уровне гликолиза конкурируют за АДФ и неорганический фосфат. В анаэробных условиях активность фосфофруктокиназы возрастает, поскольку она активируется АДФ и АМФ, и для ферментов, катализирующих реакции субстратного фосфорилирования, становится доступным большее количество АДФ. Все это способствует большему оттоку субстратов на гликолитический путь.

Спиртовое брожение осуществляют не только дрожжи, но и некоторые виды бактерий, принадлежащие к разным таксономическим группам, например Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis, Zymomonas anaerobica. Бактерии вида Sarcina ventriculi, строгие анаэробы, способные расти в чрезвычайно кислой среде, и бактерии вида Erwinia amylovora, факультативные анаэробные энтеробактерии, сбраживают глюкозу до этанола и СО₂ по гликолитическому пути с участием пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. Кроме этанола и СО₂ в небольших количествах образуются и побочные продукты: ацетат и молекулярный водород (S. ventriculi) и лактат (E. аmylovora). У бактерий Zymomonas mobilis, используемых в Мексике для получения национального спиртового напитка «пульке», катаболизм глюкозы до пировиноградной кислоты идет по пути Энтнера-Дудорова. Дальнейшее превращение пирувата происходит с участием пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. Выход продуктов брожения – по 2 молекулы этанола и СО₂ на 1 молекулу сброженной глюкозы (как и при спиртовом брожении по гликолитическому пути), но энергетический выход в 2 раза ниже, чем при гликолизе: всего 1 молекула АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы.

Кроме приведенных бактерий, значительные количества этанола образуют в процессе жизнедеятельности такие мезофильные бактерии, как Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia, а также термофильные бактерии Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, C. thermocellum.

Значение спиртового брожения велико. Этот процесс лежит в основе виноделия, пивоварения, производства спирта, хлебопечения, получения кваса и некоторых кисломолочных продуктов (кефира, кумыса и др.). Сырьем для производства спирта с использованием дрожжей служат углеводы растительного происхождения (картофель, злаки), отходы пищевой (мелассы) и целлюлозно-бумажной (щелока) промышленности, различные сельскохозяйственные отходы, а также гидролизаты древесины. Сбраживание дрожжами фруктовых соков лежит в основе виноделия; сбраживание пивного сусла, приготовленного из проросших зерен ячменя, специальными пивными дрожжами – в основе пивоварения.