Характеристика процесів бродіння

1. Загальна характеристика процесів бродіння. Під час гідролітичного розщеплення зв’язків енергія акумулюється у формі сполук із макроергічними зв’язками і використовується мікроорганізмами для росту, розвитку, розмноження та інших процесів життєдіяльності. Із трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння, фотосинтез) бродіння – найпростіший. Бродіння – метаболічний процес, при якому регенерується АТФ, а продукти розщеплення органічного субстрату можуть слугувати одночасно і донорами, і акцепторами водню.

Особливості бродіння:

- здійснюється переважно еубактеріями;

- окисно-відновні перетворення органічних сполук відбуваються в анаеробних умовах;

- зброджуванню піддаються вуглеводи (полісахариди перед бродінням гідролізуються до моноцукрів), спирти, органічні кислоти, амінокислоти, пурини, піримідини;

- кінцеві продукти бродіння: етанол, лактат, пропіонат, форміат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандіол, ацетон, 2-пропанол, СО2 і Н2;

- із субстрату вилучається лише частина енергії;

- залежно від того, які продукти переважають чи особливо характерні, розрізняють спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле, маслянокисле, оцтове бродіння.

Кожен тип бродіння спричиняється особливою групою мікроорганізмів і при цьому утворюються специфічні кінцеві продукти. Поряд із цим будь-який вид бродіння можна розглядати як двостадійний процес:

• Перша стадія включає перетворення глюкози до піровиноградної кислоти одним із трьох відомих шляхів – Ембдена-Меєргофа-Парнаса, Ентнера-Дудорова чи пентозофосфатним.

Друга стадія забезпечує використання атомів водню для відновлення пірувату або утворення з нього сполук.

Синтез АТФ відбувається за механізмом субстратного фосфорилювання. Незважаючи на велику кількість субстратів, доступних для бродіння найпоширеніші реакції такі: ацетаткіназна, фосфогліцераткіназна, піруваткіназна, інші ж обмежені специфічними видами бродінь (піримідини, пурини).

Під час бродіння кінцевими акцепторами електронів слугують:

- метаболіти, що утворюються з початкових субстратів;

- речовини, що є в культуральному середовищі, СО2, Н2;

- додаткові акцептори – досить окислені неорганічні сполуки – нітрати, молекулярна сірка.

2. Спиртове бродіння. Спиртовим бродінням називається процес розкладу глюкози на спирт і вуглекислий газ. Рівняння реакції зобразив у 1815 році Гей-Люссак:

С6Н12О6 → 2СО2 + 2С2Н5ОН

У 1857 р. Л. Пастер експериментально довів біологічну природу процесів бродіння. Збудники – мікроорганізми різної організації. У Європі для промислових цілей використовують дріжджі (насамперед Saccharomyces), в Азії – мукорові гриби, в Південній Америці – бактерії (Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis). ПВК не перетворюється на ацетил-КоА, а декарбоксилюється до оцтового альдегіду (піруватдекарбоксилаза):

CH3-CO-COOH → CH3-COH + CO2 .

Особливість реакції полягає в її повній безповоротності.

Ацетальдегід відновлюється до етанолу за участю НАД+-залежної алкогольдегідрогенази:

CH3-COH + НАД-H2 → CH3-CH2OH + НАД+.

Процес спиртного бродіння сумарно можна виразити такими рівнянням:

C6H12O6 + 2Фн + 2АДФ → 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O.

Поряд із головними продуктами бродіння утворюються побічні – гліцерол, оцтовий альдегід, оцтова й янтарна кислоти, сивушні олії.

Основні продуцентами етилового спирту, що мають широке практичне застосування, дріжджі – одноклітинні еукаріоти, які належать до різних класів грибів. Найпоширеніший спосіб розмноження дріжджів – брунькування. Дріжджі – аероби зі сформованим апаратом дихання, але в анаеробних умовах здійснюють спиртове бродіння й одержують енергію за рахунок субстратного фосфорилювання. Є види дріжджів, що розвиваються на простих синтетичних середовищах; ці дріжджі здатні синтезувати всі необхідні їм складні органічні сполуки. Існують види, які потребують певних вітамінів групи В. Додавання до поживного середовища речовин, що містять комплекс вітамінів, амінокислот, цукрів приводить, як правило, до помітного стимулювання росту дріжджів.

Ряд галузей промисловості базується на життєдіяльності дріжджів (виноробство, виробництво спирту, пивоваріння, хлібопекарське виробництво). Ще в давні часи з великої різноманітності видів, рас, штамів відібрані найпридатніші для того чи іншого процесу. Для отримання спирту, вин, хлібо-булочних виробів використовують „верхові дріжджі”, для виробництва пива – „низові дріжджі”. Сировиною для виробництва спирту з використанням дріжджів слугують вуглеводи рослинного походження (картопля, злаки), відходи харчової (меляси) і целюлозно-паперової (лугу) промисловості, різні сільськогосподарські відходи, а також гідролізати деревини. Зброджування дріжджами виноградного соку лежить в основі виноробства; зброджування пивного сусла, приготовленого з пророслих зерен ячменю, спеціальними пивними дріжджами – в основі пивоваріння.

3. Молочнокисле бродіння.Молочнокисле бродіння вивчене Л.Пастером, який відкрив молочнокислі бактерії. Останні – надзвичайно поширені у природі мікроорганізми (виявлені в молочних продуктах, місцях його переробки, на рослинах та їх рештках, у кишечнику та на слизистих людини і тварин), які, проте, ніколи не виявляються у ґрунті чи водоймах. Гр+, неспоротворні, не можуть рости на мінеральних середовищах із глюкозою й амоній-іоном, а потребують вітамінів. Залежно від продуктів, які нагромаджуються під час бродіння, усі молочнокислі бактерії поділяють на:

- гомоферментативні (утворюють лише молочну кислоту) – Streptococcus, Pedicoccus, Lactobacillus. Катаболізм глюкози відбувається фруктозобісфосфатним шляхом;

- гетероферментативні (крім молочної кислоти утворюються інші кислоти, спирт, СО2, ацетоїн, діацетил) – Leuconostoc, Lactobacillus, Bifidobacterium. У цих бактерій не виявлено головних ферментів фруктозобісфосфатного шляху – альдолази й тріозофосфатізомерази. Початкові етапи перетворення глюкози здійснюються пентозофосфатним шляхом.

Молочна кислота утворюється з ПВК під дією лактатдегідрогенази:

CH3-CO-COOH → CH3-COH-COOH.

Молочна кислота утворюється з ПВК під дією лактакдегідрогенази:

CH3-CO-COOH → CH3-COH-COOH.

Лактатдегідрогеназа – стереоспецифічний фермент. У різних видів вона міститься у вигляді певних оптичних ізомерів; залежно від цього бактерії продукують D- або L-форму молочної кислоти. Ті з них, що утворюють суміш D- і L-форм, містять або дві форми ферменту, що розрізняються стереоспецифічністю, або лактатрацемазу.

Використовується цей вид бродіння для виготовлення молочнокислих продуктів, у хлібопекарстві, квашенні овочів, силосуванні кормів, виготовленні ковбас, обробці хутра, у виробництві молочної кислоти для потреб консервної, кондитерської промисловості, безалкогольних напоїв.

4. Пропіоновокисле бродіння. Пропіоновокисле бродіння (здійснюється Propionibacterium) – перетворення глюкози на пропіонову кислоту, оцтову кислоту, СО2 і Н2О. Бродіння важливе для дозрівання сирів – зумовлює їх смак і утворення «вічок». Пропіоновокислі бактерії мешкають у рубці та кишечнику жуйних тварин, де беруть участь в утворенні жирних кислот, насамперед пропіонової та оцтової.

5. Маслянокисле бродіння. Маслянокисле бродіння (здійснюється Clostridium) – приводить до утворення масляної кислоти, СО2, Н2О і проміжних продуктів – бутилового спирту, ацетону, етанолу, оцтової кислоти. Відкрите Л. Пастером у 1861 році. Використовується в кондитерській і парфумерній промисловості (ефіри як ароматичні речовини). Бактерії роду Clostridium завдають значної шкоди, зумовлюючи гниття овочів та псування продуктів.