1. Спиртовое брожение

Биохимические превращения различных веществ в природе, обусловленные деятельностью микроорганизмов, широко используются в различных отраслях. Так, например, на способности дрожжей сбраживать сахара основаны технологии бродильных производств, технология хлебопечения. Но биохимическая активность микроорганизмов может приносить и большой вред. Микроорганизмы могут возбуждать различные заболевания растений, животных, человека, вызывают порчу пищевых продуктов.

Процесс превращения микроорганизмами содержащегося в субстрате сахара в спирт и углекислый газ называется спиртовым брожением.

Спиртовое брожение – сложный биохимический процесс. Возбудителями его являются Saccharomyces cerevisiae. Они широко распространены в природе и встречаются в воздухе, на фруктах, ягодах.

Кроме дрожжей возбуждать спиртовое брожение способны и отдельные представители плесневых грибов, дрожжеподобные организмы и некоторые бактерии. В этом случае спиртовое брожение протекает с иными количественными соотношениями между основными и побочными продуктами, а также с образованием таких веществ, которые не образуются при брожении, возбуждаемом дрожжами.

При недостатке кислорода спиртовое брожение наблюдается в клетках высших растений. При неправильном хранении сырья на сырьевой площадке консервного завода (навалом, при повышенной температуре, без достаточной вентиляции) в плодах и овощах наблюдается переход от нормального аэробного дыхания к анаэробному, при котором расщепление сахара протекает с образованием спирта и диоксида углерода. Свойства плодов и овощей при этом резко ухудшаются. Растительные клетки становятся дряблыми, изменяется химический состав клеточного сока. От массы сырья начинает исходить спиртовой запах. При значительном накоплении спирта происходит отмирание растительных тканей. Плоды и овощи утрачивают естественный иммунитет и легко подвергаются микробиологической порче.

С ₆Н₁₂О₆ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + Q

Химизм процесса брожения изучали многие ученые, которые установили, что в процессе брожения важную роль играет фосфорная кислота. Она содержится в дрожжах в виде АТФ, АДФ. Весь процесс брожения можно условно разделить на этапы: образование фосфорилированных сахаров; образование дифосфоглицериновой кислоты; образование пировиноградной кислоты.

Пировиноградная кислота – промежуточный продукт брожения, дальнейшие ее превращения приводят к тому или иному процессу – спиртовому, молочнокислому брожению или дыханию.

Процесс распада сахара при спиртовом брожении можно представить следующим образом:

С ахар Фосфорные эфиры гексоз Фосфотриозы

СО₂

Ф осфоглицериновая кислота ПВК

уксусный альдегид Этиловый спирт

Сбраживание глюкозы дрожжами – анаэробный процесс. Но дрожжи – аэробные микроорганизмы. В анаэробных условиях происходит интенсивное брожение, но роста дрожжей не происходит. При доступе кислорода, наоборот, замедляется брожение, происходит рост дрожжей, процесс дыхания.

С ₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + Q

Интенсивный приток воздуха вызывает прекращение брожения. Однако образование спирта полностью прекратиться не может. Этот эффект подавления брожения называется эффектом Пастера.

Из углеводов дрожжи в первую очередь сбраживают глюкозу, фруктозу, мальтозу, сахарозу, мальтотриозу. Сначала сбраживаются моносахара, затем дисахариды, только после их превращения в моносахара.

Этиловый спирт и диоксид углерода – основные продукты спиртового брожения. Кроме них в небольших количествах образуются вторичные и побочные продукты брожения. Эти продукты придают вкус и аромат продуктам брожения.

Вторичные продукты – образуются из сахара (кроме спирта и диоксида углерода). Такими продуктами являются: глицерин, уксусный альдегид, уксусная, янтарная, молочная и лимонная кислоты, ацетон, ацетоин, диацетил.

Побочные продукты – образуются из других веществ, находящихся в сбраживаемой среде, главным образом из аминокислот. К ним относятся: высшие спирты: пропанол, изобутанол, изопентанол, эфиры.

Вторичные и побочные продукты спиртового брожения строго разграничивать нельзя. Так, янтарная и молочная кислоты могут быть получены как из сахара, так и из глютаминовой кислоты и аланина. Высшие спирты также образуются из сахара и аминокислот.

Высшие спирты – могут образовываться из аминокислот путем дезаминирования (отщепление группы NH₃), декарбоксилирования (отщепление СО₂) с присоединением воды или переаминирования аминокислот. Также высшие спирты могут образовываться из сахара. В процессе спиртового брожения образуется ПВК. Основная часть ее расходуется на образование этилового спирта, а незначительное количество претерпевает ряд превращений, в результате образуется изобутанол или изопентанол. Все эти пути образования высших спиртов не противоречат друг другу. Часть высших спиртов образуется из сахаров, другая часть из аминокислот.

Образование эфиров происходит в результате реакции этерификации при участии эстераз дрожжей. В этой реакции участвуют спирт и кислота. Образование эфиров также может происходить из альдегидов:

Кислоты образуются следующим образом: уксусный альдегид может испытывать дисмутацию с образованием уксусной кислоты и этилового спирта.

СН₃СОН + НОСR₁ + Н₂О → СН₃СООН + СН₃СН₂ОН

Одна молекула окисляется в кислоту, другая - восстанавливается в спирт.

Янтарная кислота образуется при взаимодействии двух молекул уксусной кислоты с одной молекулой уксусного альдегида.

2СН₃СООН + СН₃СНО → СООНСН₂СН₂ + СН₃СН₂ОН

Янтарная кислота может образовываться также путем дезаминирования глютаминовой кислоты.

Лимонная кислота также образуется из уксусного альдегида.

3СН₃СОН + 4Н₂О →СН₂СООН₂ С(ОН)СООН + 6СН₃СН₂ОН

Молочная кислота образуется при восстановлении пировиноградной кислоты.

СН₃СОСООН + Н₂ → СН₃СН(ОН)СООН

По рассмотренным схемам образуются вторичные и побочные продукты при спиртовом брожении. Но эти продукты также образуются и во время протекания других видов брожения: уксуснокислого, молочнокислого и пр. Механизм образования их идентичен, разнообразие составляет только наименование и количество образующихся продуктов.

Вторичные и побочные продукты образуются также в результате квашения и мочения и придают готовым продуктам специфические вкусовые качества.

Наиболее благоприятной концентрацией сахара в бродящей среде является 10-20 %. По мере брожения в среде накапливается спирт, который угнетающе действует на дрожжи. При накоплении спирта до 18 % брожение останавливается. Такая концентрация спирта для дрожжей является предельной.

Большое значение для брожения имеет и температура среды. Оптимальной является температура 15-25 ^оС. При температуре 35 ^оС наблюдается затухание брожения, а при 50 ^оС брожение прекращается, так как происходит инактивация ферментов. Минимальная температура, при которой происходит брожение – 4-5^оС.

На ход брожения оказывает влияние раса дрожжей. Одни дрожжи способны накапливать больше спирта, другие – побочные и вторичные продукты. Спиртовое брожение нормально протекает в средах с довольно высокой кислотностью (рН 3,5-4,5).

При получении плодово-ягодных соков спиртовое брожение является нежелательным процессом и его приостанавливают различными технологическими приемами: охлаждением, сульфитацией, пастеризацией. Брожение может также вызывать порчу консервированных продуктов, содержащих сахар: компотов, пюре, соков и т.д.

Таким образом, процесс спиртового брожения играет в различных производствах как положительную, так и отрицательную роль.